氧气高炉工艺的探讨研究

摘要

高炉炼铁仍然是世界上最主要的炼铁生产工艺，但面临严重节能减排压力。氧气高炉工艺是用冷态氧气代替传统热风操作的一种新型炼铁工艺，其在冶炼效率和节能减排等方面具有显著优势。结合碳捕集与贮存技术的氧气高炉工艺流程可以比现在CO2排放最少的炼铁工艺减少50％以上，其中炉顶煤气循环-氧气高炉流程是最有希望实现工业化的工艺流程。但是现有关于氧气高炉的数学模型大部分假定直接还原度，因为缺少经验数据，选择具有一定的盲目性，而且针对不同的操作需要选择不同的直接还原度，所以选择的直接还原度难以和实际生产相符。
　　根据高炉的冶炼特点，本文将高炉分为风口回旋区、高温区和低温区三个部分。在物料平衡和热平衡的基础上，充分考虑了化学平衡对冶炼的影响，建立了氧气高炉多区域约束工艺模型，并用Visual Basic进行编程。模型结果与生产数据十分接近，用来分析氧气高炉工艺流程具有很高的可信度。模型不仅可及分析传统热风高炉操作，还可以分析不同操作条件下的氧气高炉工艺。根据循环煤气喷吹的位置和温度的不同，炉顶煤气循环-氧气高炉主要有三个流程，本文详细分析了煤比和风口喷吹煤气对三种高炉流程的影响，并得到了以下主要结论。
　　(1)传统热风操作的风中含氧率小于0.353时，通过调整操作条件可以使传统高炉流程仍能够正常运行。风中含氧率超过这个界限后，高炉不能够正常运行。
　　(2)在炉顶煤气循环-氧气高炉工艺中，从炉身喷吹预热循环煤气，主要是为了补充低温区的热量，循环煤气的成分对低温区的矿石还原影响不大。
　　(3)当采用工业室温氧气代替传统热风且炉身风口喷吹预热煤气时，对于炉缸风口喷吹冷态循环煤气流程，煤比为150kg/thm,炉缸风口喷吹冷煤气400.5Nm3/thm，炉身风口喷吹163.1Nm3/thm时，燃料中碳素消耗为383.1kg/thm，比传统热风操作减少12.9kg/thm;对于风口喷吹预热循环煤气流程，煤比为162kg/thm,炉缸风口喷吹预热煤气535.4Nm3/thm，炉身风口喷吹预热煤气10.5Nm3/thm时，脱除CO2后的炉顶煤气恰好能满足使用，燃料中碳素消耗为305.5kg/thm，比传统热风操作减少90.5kg/thm。
　　(4)当采用工业室温氧气代替传统热风，且仅炉缸风口喷吹预热煤气，煤比为200kg/thm，炉缸风口喷吹煤气量为535.3Nm3/thm时，燃料中碳素消耗为305.0kg/thm，比传统热风操作减少91.0kg/thm。
　　(5)对于喷吹焦炉煤气-氧气高炉流程，宜采用较低的煤比，较低的理论燃烧温度。煤比为150kg/thm，炉缸风口喷吹焦炉煤气量为247.1Nm3/thm，炉料热装温度为125℃，碳素消耗为380.2kg/thm，比传统热风高炉节约15.8kg/thm。

目录

声明

摘要

符号表

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．2．1 欧盟“ULCOS”

1．2．2 日本“COURSE50”

1．2．3 中国“十二五”科技支撑计划

1．3 研究目的及意义

1．4 研究内容

第2章 文献综述

2．1 氧气高炉概述

2．2 氧气高炉流程的工业试验

2．2．1 日本NKK公司氧气高炉试验

2．2．2 前苏联Tula氧气高炉试验

2．2．3 瑞典LKAB公司EBF氧气高炉试验

2．2．4 五矿营钢氧气高炉试验

2．2．5 日本“COURSE50”高炉试验

2．3 氧气高炉工艺模型的研究

第3章 氧气高炉多区域约束工艺模型的建立

3．1 模型假设和操作条件

3．1．1 模型假设

3．1．2 物料成分及操作条件

3．1．3 研究的主要变量

3．2 模型的建立

3．2．1 计算前对各物料的处理

3．2．2 风口回旋区

3．2．3 高温区

3．2．4 低温区

3．2．5 全炉热平衡

3．2．6 物料平衡

3．3 模型计算

3．4 程序界面

第4章 传统热风高炉操作的含氧率上限

4．1 传统热风高炉

4．2 传统热风高炉富氧操作上限

4．2．1 理论燃烧温度

4．2．2 低温区热量供需情况

4．2．3 优化的工艺参数

4．2．4 对炉身风口喷吹循环煤气工艺的启示

4．3 本章小结

第5章 炉顶煤气循环-氧气高炉工艺

5．1 仅炉缸风口喷吹循环煤气工艺

5．1．1 风中含氧率的操作上限

5．1．2 风中含氧率对工艺的影响

5．1．3 煤比对工艺的影响

5．1．4 炉缸风口循环煤气对工艺的影响

5．1．5 优化的工艺参数

5．2 炉缸结合炉身的风口喷吹循环煤气工艺

5．2．1 炉缸风口喷吹冷循环煤气工艺

5．2．2 炉缸风口喷吹预热循环煤气工艺

5．3 本章小结

第6章 喷吹焦炉煤气-氧气高炉工艺

6．1 仅炉缸风口喷吹焦炉煤气工艺

6．1．1 风中含氧率的操作上限

6．1．2 煤比对工艺的影响

6．1．3 焦炉煤气对工艺的影响

6．1．4 优化的工艺参数

6．2 喷吹焦炉煤气结合炉料热装-氧气高炉工艺

6．2．1 合适的炉料热装温度

6．2．2 煤比对工艺的影响

6．2．3 焦炉煤气对工艺的影响

6．2．4 优化的工艺参数

6．3 几种氧气高炉工艺的比较

6．4 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢