高炉喷吹焦炉煤气技术的研究与工业喷吹结果调研.doc

高炉喷吹焦炉煤气技术的研究与工业喷吹结果调研
胡俊鸽
(鞍钢股份公司技术中心)
0引言
焦炉煤气属于氢系还原剂,用于高炉可代替一部分焦炭,而且与碳系还原剂相比,更有利于减少CO2排放。美国等发达国家拟于近期开征碳关税,我国也拟于2012年开征企业碳税,在这种形势下,实施高炉喷吹焦炉煤气对提高企业经济效益也将非常有效。我们鞍钢已计划研究和实施高炉喷吹焦炉煤气的技术,了解其在高炉喷吹中的燃烧特征及作用,以及借鉴其他钢铁公司的喷吹经验很有意义。
1高炉风口喷吹焦炉煤气的研究进展
关于高炉风口喷吹焦炉煤气的研究,瑞典律勒欧、奥钢联与维也纳技术大学等都利用数学模拟方法进行了研究,其中奥钢联与维也纳技术大学进行的研究更全面、更系统。
瑞典律勒欧对高炉风口喷吹焦炉煤气的研究
瑞典律勒欧MEFOS使用风口理论模型研究了风口喷吹焦炉煤气,包括喷吹量、喷枪数量和角度的影响[1]。风口理论模型可以预测风口内的气体流动和温度分布,以及鼓入的风与焦炉煤气之间的化学反应。模型的假设条件如下:该模型是三维、稳态条件下的,并且是绝热的;不考虑风口的热辐射;只模拟风口中喷枪喷入后的状态,不考虑回旋区的影响;只考虑高炉压力对风口输出的影响。风量为67500Nm3,加入的氧量为2500Nm3。焦炉煤气喷入温度为40℃,压力为300kPa。
使用的主要描述方法有:气体中不同物质的质量守衡、三个方向的动量守衡、热平衡;使用标准k-ε紊流模型来描述紊流;使用扩充的简单化学反应系统(ESCRS:Extended Simple Chemically Reaction System)来模拟化学反应;使用旋涡破碎模型(EBU)来计算
有限速率化学反应模型的速率。与燃烧模型相关的数据参阅了热力学数据库CHEMKIN(大型气相化学动力学软件包)。有限速率模型中主要考虑了三个化学反应:
2CH4+O2→2CO+4H2 (1)
2CO+O2→2CO2 (2)
4H2+2O2→4H2O (3)
且这些反应只按一个方向进行。反应(1)是CH4的燃烧,属主要反应,反应中生成的H2与CO是中间产物,反应(2)和(3)是由中间产物向最终产物CO2和H2O的转化反应。
风口三维模型和考虑的区域示意于图1,该区域由鼓风入口、焦炉煤气入口、风口壁区域和高炉风口出口构成。喷枪直径为22 mm,风口入口直径为140 mm,被模拟风口部分的总长度为200mm,这意味着喷枪喷入端距风口前端200mm。焦炉煤气(图表中以COG表示)的入口条件如表1所示。
喷枪入口
风口壁
风口出口
鼓风入口
图1 风口三维模型考虑的区域及喷枪位置
Fig 1 The region of integration and the position of the lances in the tuyere pipe
表1 COG的入口条件
Table 1 Inlet condition of the COG
COG喷入量/Nm3·h-1
使用一个喷枪的喷入速度/m·s-1
使用两个喷枪的喷入速度/m·s-1
5000


7500


10000


12500


15000


17500


20000


首先,研究了改变喷入的焦炉煤气量对风口出口状态的影响。对一个喷枪的模拟结果表明,在焦炉煤气喷入量为10000Nm3/h(,)时,风口前端的温度最高,在加大焦炉煤气喷入量时,会由于焦炉煤气燃烧不充分而使温度下降(图2)。煤气中的CO与H2量几乎与焦炉煤气喷吹量成线性增加,CH4的量在焦炉煤气喷吹量较少时稍有增加,但在焦炉煤气喷吹量高于10000Nm3/h时上升很快,如图3所示。
平均温度
温度(℃)
COG喷吹量(Nm3/h)
图2 使用1支喷枪时风口前端平均温度
Fig 2 Mean temperature at the end of the tuyere pipe for 1 injection lance system
体积百分数
COG(Nm3/h)
图3 使用1支喷枪时风口前端CO、H2和CH4含量与COG喷吹量的关系
Fig 3 position of CH4, CO and H2 at the end of the tuyere pipe verse COG for 1 injection lance system
使用2支喷枪情况下,风口中紊流加强,更多焦炉煤气可以与鼓风接触,反应更激烈。在喷吹量为15000Nm