基于多层次模型的炉顶煤气循环氧气高炉可行性研究

【摘要】：炼铁系统的CO2排放占钢铁流程总排放的70%以上,降低炼铁系统的碳耗对于减少钢铁产业CO2排放非常重要。高炉炼铁系统经过近几十年的技术发展,运行效率已经大大提高,要想进一步降低炼铁过程的CO2排放,需发展新的低碳炼铁工艺。炉顶煤气循环氧气高炉炼铁技术采用氧气代替热空气鼓风,大量喷吹煤粉,炉顶煤气经脱除CO2后喷吹进高炉循环利用,具有高生产率、高喷煤量、低焦比和低碳排放等优点。本文从基础工艺、关键过程和钢铁流程等不同层次建立模型来分析氧气高炉工艺可行性,获得了关键技术参数影响规律,解析了炉内热化学行为,评估了钢铁流程的能耗和碳排放。本文建立的氧气高炉系统工艺模型包含炉身炉腹区传输与反应模型、风口回旋区燃烧模型以及炉外煤气能质平衡模型。该工艺模型实现了三个子模型的耦合计算,可以更精准地描述炉内热化学过程煤气分配情况。利用该模型,研究了莱钢3号高炉的改造方案和氧气高炉系统关键技术参数的影响规律。研究表明：为了保证炉内合理的理论燃烧温度和较好的铁矿石还原效果,风口循环煤气的流量应为300 Nm3/t-铁左右,鼓风氧气浓度不低于80%,上部炉身循环煤气流量不低于300 Nm3/t-铁：鼓风氧气浓度为炉内直接还原度和炉顶煤气热值的主要影响因素,而循环煤气流量为煤气外供量和工序能耗的主要影响因素；与传统高炉相比,氧气高炉的气体还原性更强,炉内直接还原反应更少,综合能耗和CO2净排放可分别降低6.4%和35.7%。针对氧气高炉工艺带来的炉内关键过程变化,本文通过实验和数值模拟来分析工艺参数设定的合理性。通过三维半周高炉模型实验,研究了炉料下降行为,结果表明：料流下降以平推流为主,氧气高炉带来的气流减少和生产率提高对炉料下降行为影响很小,风口回旋区尺寸变化对炉腹区域汇聚流有一定影响。通过风口回旋区三维模型来分析煤粉燃烧行为,结果表明：氧气含量提高可有效提升煤粉燃烧效果;氧气高炉工况下的回旋区尺寸减小,而煤粉喷吹量又期望有大幅提高,这些都对煤粉的燃烧不利,需通过喷吹循环煤气和适当的炉型改造来扩大回旋区,保证煤粉的燃烧效果。通过全炉传输与反应过程二维模型,研究煤气循环的影响,结果表明：与传统高炉相比,氧气高炉的气流较小,软融带更薄：提高炉身煤气喷吹量,可提升气固温度及软融带位置,增强炉内气氛还原性,加快铁氧化物还原速度。但循环煤气喷吹量需控制在合理范围来避免炉顶煤气温度过高,造成炉顶设备无法正常运行,并因高温煤气排出损失大量热能。结合实际钢厂生产运行数据,建立钢铁流程的物质流、能量流模型,来评估氧气高炉钢铁流程的能耗和碳排放。氧气高炉应用后,钢铁流程煤消耗量减少26.1%,制氧需求量提高1.7倍,电力消耗量提高50.9%,副产煤气总产量降低53.4%,地钢厂副产煤气供需平衡的基础上，氧气高炉钢铁流程可实现煤气零放散。氧气高炉钢铁流程的综合能耗受电力折标系数影响较大。随着我国发电效率提高和火电比例降低,电力等价值会不断减小,氧气高炉钢铁流程的节能潜力会随之增大。若捕集的CO2不封存,氧气高炉钢铁流程的C02直接排放可比传统流程降低26.2%;若捕集的C02实现封存,CO2直接排放和净排放可比传统流程分别降低56.5%和40.9%。炉顶煤气循环氧气高炉是新颖,并存在争议的低碳炼铁技术。希望本文的方法和结果能够为我国该技术的发展提供帮助,并为该技术的理论基础和工程应用提供指导。 【关键词】：氧气高炉 煤气循环 数学模型 可行性 碳排放
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF53
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-14
• 2 文献综述14-40
• 2.1 高炉炼铁工艺发展现状14-16
• 2.1.1 高炉炼铁节能减排的重要性14-15
• 2.1.2 高炉炼铁发展趋势15-16
• 2.2 氧气高炉工艺特征及研究进展16-22
• 2.2.1 氧气高炉工艺特征16-17
• 2.2.2 国内外典型工艺流程17-22
• 2.3 氧气高炉数学模型研究进展22-34
• 2.3.1 全炉能质守恒模型22-26
• 2.3.2 全炉一维反应动力学模型26-28
• 2.3.3 全炉多维多相流模型28-32
• 2.3.4 风口回旋区燃烧模型32-34
• 2.4 钢铁生产流程的能耗和碳排放研究现状34-39
• 2.4.1 钢铁流程能耗研究现状34-37
• 2.4.2 钢铁流程碳排放研究现状37-39
• 2.5 本文研究内容39-40
• 3 氧气高炉系统工艺模型40-65
• 3.1 工艺模型架构40
• 3.2 炉身及炉腹区传输与反应模型40-52
• 3.2.1 模型简化和假设40-41
• 3.2.2 控制方程41-46
• 3.2.3 化学反应及熔融相变动力学46-52
• 3.3 风口回旋区燃烧模型52-54
• 3.3.1 物质平衡52-53
• 3.3.2 能量平衡53-54
• 3.4 炉外煤气能质平衡模型54-55
• 3.5 模型的求解方法55-57
• 3.6 模型的验证57-64
• 3.6.1 莱钢3号高炉的基本参数57-59
• 3.6.2 莱钢3号高炉的解剖实验和模型验证59-60
• 3.6.3 欧盟ULCOS实验氧气高炉的验证分析60-64
• 3.7 本章小结64-65
• 4 氧气高炉可行工艺及关键参数分析65-85
• 4.1 莱钢3号高炉改造方案分析65-70
• 4.1.1 传统高炉与氧气高炉工艺过程的对比65-68
• 4.1.2 莱钢3号高炉改造方案的选择68-70
• 4.2 氧气高炉关键技术参数分析70-78
• 4.2.1 基本工艺参数的限定范围71-74
• 4.2.2 关键技术参数的正交试验74
• 4.2.3 关键技术参数的直观分析74-78
• 4.3 氧气高炉典型工况能耗和碳流分析78-83
• 4.3.1 氧气高炉工艺的典型工况79-81
• 4.3.2 工序能耗分析81
• 4.3.3 工序碳流分析81-83
• 4.4 本章小结83-85
• 5 氧气高炉炉内关键过程研究85-108
• 5.1 炉料下降运动行为实验研究85-90
• 5.1.1 实验平台的搭建及实验方法85-87
• 5.1.2 基本工况实验结果87-88
• 5.1.3 参数分析88-90
• 5.2 风口煤粉燃烧研究90-97
• 5.2.1 风口回旋区燃烧模型91-92
• 5.2.2 回旋区内燃烧过程数值模拟92-97
• 5.3 煤气循环对炉内热化学过程的影响97-107
• 5.3.1 炉内传输与反应过程模型97-99
• 5.3.2 结果分析99-107
• 5.4 本章小结107-108
• 6 氧气高炉工艺对钢铁全流程能耗和碳排放的影响108-128
• 6.1 钢铁流程的物质流、能量流模型108-111
• 6.1.1 钢铁流程的物质流、能量流模型框架108
• 6.1.2 钢铁流程的物质流、能量流平衡108-109
• 6.1.3 钢铁流程能耗和碳排放的计算方法109-111
• 6.2 氧气高炉钢铁流程的物质流和能量流111-119
• 6.2.1 物质流和能量流分析111-117
• 6.2.2 副产煤气平衡117-118
• 6.2.3 电力平衡118-119
• 6.3 钢铁流程能耗和碳排放分析119-126
• 6.3.1 流程能耗分析119-123
• 6.3.2 流程碳排放分析123-126
• 6.4 本章小结126-128
• 7 结论128-130
• 参考文献130-143
• 作者简历及在学研究成果143-146
• 学位论文数据集146

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