氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣數(shù)學(xué)模型

摘 要：高爐的工作過程是以焦炭為燃料，燃燒后排放出CO2氣體。目前我國高爐煉鐵的發(fā)展方向是以低成本消耗為基礎(chǔ)，采取有效解決措施來降低焦炭的損耗量，避免大量的CO氣體排放空氣中污染環(huán)境。其中高爐噴吹焦?fàn)t煤氣是解決措施之一。本文對(duì)氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣工藝的內(nèi)容及其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：氧氣高爐；噴吹；焦?fàn)t煤氣；數(shù)學(xué)模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.190

0 前言

高爐是鋼鐵冶金體系中最重要的工藝裝置，它的工作過程是以消耗能量為主并釋放CO2氣體，我國本著可持續(xù)發(fā)展觀的經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，以節(jié)省能量損耗減少氣體排放的基礎(chǔ)來研發(fā)各種新型技術(shù)，其中本文所論述的氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣工藝裝置就是最有效的解決辦法之一。氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣工藝裝置的優(yōu)點(diǎn)在于克服燃料之間的消耗量，工藝流程簡便，能夠?yàn)樯鐣?huì)經(jīng)濟(jì)帶來效益，綠色、節(jié)能、環(huán)保，促使經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展。

1 氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣

（1）焦?fàn)t煤氣的成分。焦?fàn)t煤氣作為高級(jí)氣體燃料，它具有還原性，并且氫元素含量極高。氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣包含H2，CH4，CO，CmHn，N2。其中H2成分量占半數(shù)以上，其次是CH4和CO，CmHn和N2的成分較少，一般焦?fàn)t煤氣的燃燒熱量值不到20000KJ/Nm3。

（2）高爐噴吹焦?fàn)t煤氣工藝。高爐噴吹焦?fàn)t煤氣工藝流程如下，燃燒原料以氣體形式進(jìn)入壓縮機(jī)裝置后，經(jīng)壓縮機(jī)處理，把氣體導(dǎo)入儲(chǔ)氣罐，其中一部分氣體通過旁通回路返回到原焦?fàn)t氣體進(jìn)口處，被循環(huán)利用，二次回收具有環(huán)保高效作用；另一部分氣體通過吹掃蒸汽和噴吹支管進(jìn)入到高爐中，高爐開始工作。

（3）噴吹焦?fàn)t煤氣的優(yōu)點(diǎn)。首先該工藝可提供給高爐優(yōu)質(zhì)還原劑，CH4+1/2O2=2H2+CO， H2成分占據(jù)總成分3/4，其中H2還原速度較快，損耗能量少，能夠增強(qiáng)高爐生產(chǎn)能力并提高焦?fàn)t工作進(jìn)度；其次是還原產(chǎn)物環(huán)保， C和CO還原最終產(chǎn)物是CO2，而H2還原產(chǎn)物是H2O，可以減少CO2的排放量，社會(huì)意義顯著；然后焦?fàn)t煤氣的價(jià)值量高，對(duì)能量運(yùn)用效率得到改善，燃燒原料煤氣，其能量利用率一般不到1/2，價(jià)格比例按熱值計(jì)算，每立方米在0.4左右；另外噴吹技術(shù)簡潔方便，控制精確度較高，工作原理組成是通過加大氣體壓強(qiáng)，運(yùn)送氣體以及噴吹，其有效特征在于設(shè)備投資成本低，控制靈活，精確度強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)單風(fēng)口定量噴吹。

2 氧氣噴吹焦?fàn)t煤氣數(shù)學(xué)模型

（1）回旋區(qū)數(shù)學(xué)模型的開發(fā)。高爐回旋區(qū)是高爐重要加工區(qū)域，它在高爐冶煉中起重要地位，直接影響高爐下部煤氣氣流的流向及整個(gè)高爐內(nèi)傳導(dǎo)熱量的過程。基于回旋區(qū)模型的假設(shè)，回旋區(qū)數(shù)學(xué)模型如下：開始→焦?fàn)t煤氣噴吹量→輸入鼓風(fēng)參數(shù)（富氧率、鼓風(fēng)量等）→回旋區(qū)的質(zhì)量和熱平衡模型→（函數(shù)條件）→輸出回旋區(qū)條件→結(jié)束。其中風(fēng)口回旋工作過程為：1）煤粉的反應(yīng)2C+O2=2CO，C+O2=CO2；2）焦?fàn)t煤氣的反應(yīng)2CH4+O2=4H2+2CO；3）水煤氣的反應(yīng)H2O+C=CO+H2；4）CO2+C=2CO；5）焦炭的反應(yīng)C+O2=CO2，2C+O2=2CO。最后風(fēng)向循環(huán)區(qū)域內(nèi)含有CO、H2、N2氣體。

（2）高爐噴吹焦?fàn)t煤氣數(shù)學(xué)計(jì)算。置換比計(jì)算條件按元素形式分析，置換比單位kg，熱量為KJ。焦炭的熱平衡分析，其焦炭中固定碳在焦?fàn)t內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)方程為：，表示焦?fàn)t內(nèi)對(duì)CO的反復(fù)使用率。如果按每單位煤炭來計(jì)量，根據(jù)公式，焦炭中定量碳含量在高爐中放出的熱量值。高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的熱量平衡分析的反應(yīng)過程：，，。其中置換比的計(jì)算公式。如下焦?fàn)t煤氣成分，H2-60.7%，CH4-26.63%，CO-6.67%，CO-22.23%，N2-3.77%。根據(jù)數(shù)據(jù)，焦炭的固定碳含量為85.23%，灰分含量為13.01%，假設(shè)爐頂煤氣溫度為200℃，查表得到各氣體25～200℃的平均摩爾定壓熱容，各物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式可計(jì)算相互H2的利用率，按1 m?焦?fàn)t煤氣來計(jì)算，根據(jù)數(shù)學(xué)模型可得出焦?fàn)t煤氣所形成的爐頂煤氣各成分的體積，將參數(shù)值代入焦炭的置換比計(jì)算公式中得出RR=0.486kg/ m?。

（3）CO2脫除率的數(shù)學(xué)模型。在氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣工藝流程中，燃料在進(jìn)入高爐中加熱前，需要除去CO2，CO2+C=2CO，根據(jù)反應(yīng)公式計(jì)算反應(yīng)后的CO2值，通過以往數(shù)據(jù)分析，舉例如下：設(shè)高爐內(nèi)消耗煤的數(shù)值為200kg/t，爐內(nèi)循環(huán)的煤氣含量為400 m?/t，氣體溫度值達(dá)到1173K，頂口煤氣進(jìn)入焦?fàn)t之前H2O的剩余量為2g/ m?，在流程操作中所用氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%。其中伴隨CO2脫出量的增加，高其爐焦的含量比呈增長趨勢，而煤在氣化爐中損耗量在逐步下降。這是由于CO2含量增加后，氣化爐中反應(yīng)物減少，從而降低煤的消耗量。

3 結(jié)語

氧氣焦?fàn)t噴吹焦?fàn)t煤氣具有優(yōu)質(zhì)還原劑H2，增加能量利用率和煤氣價(jià)值量，減輕CO2氣體排放量；氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣無論在國內(nèi)還是國外都已經(jīng)具有長期工業(yè)研究和生產(chǎn)試驗(yàn)，工藝技術(shù)成熟有效；氧氣高爐噴吹焦?fàn)t煤氣為大多說鋼鐵聯(lián)合企業(yè)提供了便利條件；此外在多種用途中，氧氣噴吹焦?fàn)t的利用價(jià)值極大，應(yīng)用效果顯著，適應(yīng)能力極強(qiáng)，不受外界環(huán)境干擾，并且能夠?qū)崿F(xiàn)利益最大化，是目前煉鐵技術(shù)最好的選擇。

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作者簡介：亓俊杰（1981-），男，山東萊蕪人，碩士研究生，講師，研究方向：冶金過程控制與工藝優(yōu)化。endprint