基于多層次模型的爐頂煤氣循環(huán)氧氣高爐可行性研究

【摘要】：煉鐵系統(tǒng)的CO2排放占鋼鐵流程總排放的70%以上,降低煉鐵系統(tǒng)的碳耗對于減少鋼鐵產(chǎn)業(yè)CO2排放非常重要。高爐煉鐵系統(tǒng)經(jīng)過近幾十年的技術(shù)發(fā)展,運(yùn)行效率已經(jīng)大大提高,要想進(jìn)一步降低煉鐵過程的CO2排放,需發(fā)展新的低碳煉鐵工藝。爐頂煤氣循環(huán)氧氣高爐煉鐵技術(shù)采用氧氣代替熱空氣鼓風(fēng),大量噴吹煤粉,爐頂煤氣經(jīng)脫除CO2后噴吹進(jìn)高爐循環(huán)利用,具有高生產(chǎn)率、高噴煤量、低焦比和低碳排放等優(yōu)點(diǎn)。本文從基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵過程和鋼鐵流程等不同層次建立模型來分析氧氣高爐工藝可行性,獲得了關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)影響規(guī)律,解析了爐內(nèi)熱化學(xué)行為,評估了鋼鐵流程的能耗和碳排放。本文建立的氧氣高爐系統(tǒng)工藝模型包含爐身爐腹區(qū)傳輸與反應(yīng)模型、風(fēng)口回旋區(qū)燃燒模型以及爐外煤氣能質(zhì)平衡模型。該工藝模型實(shí)現(xiàn)了三個(gè)子模型的耦合計(jì)算,可以更精準(zhǔn)地描述爐內(nèi)熱化學(xué)過程煤氣分配情況。利用該模型,研究了萊鋼3號(hào)高爐的改造方案和氧氣高爐系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的影響規(guī)律。研究表明：為了保證爐內(nèi)合理的理論燃燒溫度和較好的鐵礦石還原效果,風(fēng)口循環(huán)煤氣的流量應(yīng)為300 Nm3/t-鐵左右,鼓風(fēng)氧氣濃度不低于80%,上部爐身循環(huán)煤氣流量不低于300 Nm3/t-鐵：鼓風(fēng)氧氣濃度為爐內(nèi)直接還原度和爐頂煤氣熱值的主要影響因素,而循環(huán)煤氣流量為煤氣外供量和工序能耗的主要影響因素；與傳統(tǒng)高爐相比,氧氣高爐的氣體還原性更強(qiáng),爐內(nèi)直接還原反應(yīng)更少,綜合能耗和CO2凈排放可分別降低6.4%和35.7%。針對氧氣高爐工藝帶來的爐內(nèi)關(guān)鍵過程變化,本文通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬來分析工藝參數(shù)設(shè)定的合理性。通過三維半周高爐模型實(shí)驗(yàn),研究了爐料下降行為,結(jié)果表明：料流下降以平推流為主,氧氣高爐帶來的氣流減少和生產(chǎn)率提高對爐料下降行為影響很小,風(fēng)口回旋區(qū)尺寸變化對爐腹區(qū)域匯聚流有一定影響。通過風(fēng)口回旋區(qū)三維模型來分析煤粉燃燒行為,結(jié)果表明：氧氣含量提高可有效提升煤粉燃燒效果;氧氣高爐工況下的回旋區(qū)尺寸減小,而煤粉噴吹量又期望有大幅提高,這些都對煤粉的燃燒不利,需通過噴吹循環(huán)煤氣和適當(dāng)?shù)臓t型改造來擴(kuò)大回旋區(qū),保證煤粉的燃燒效果。通過全爐傳輸與反應(yīng)過程二維模型,研究煤氣循環(huán)的影響,結(jié)果表明：與傳統(tǒng)高爐相比,氧氣高爐的氣流較小,軟融帶更薄：提高爐身煤氣噴吹量,可提升氣固溫度及軟融帶位置,增強(qiáng)爐內(nèi)氣氛還原性,加快鐵氧化物還原速度。但循環(huán)煤氣噴吹量需控制在合理范圍來避免爐頂煤氣溫度過高,造成爐頂設(shè)備無法正常運(yùn)行,并因高溫煤氣排出損失大量熱能。結(jié)合實(shí)際鋼廠生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù),建立鋼鐵流程的物質(zhì)流、能量流模型,來評估氧氣高爐鋼鐵流程的能耗和碳排放。氧氣高爐應(yīng)用后,鋼鐵流程煤消耗量減少26.1%,制氧需求量提高1.7倍,電力消耗量提高50.9%,副產(chǎn)煤氣總產(chǎn)量降低53.4%,地鋼廠副產(chǎn)煤氣供需平衡的基礎(chǔ)上，氧氣高爐鋼鐵流程可實(shí)現(xiàn)煤氣零放散。氧氣高爐鋼鐵流程的綜合能耗受電力折標(biāo)系數(shù)影響較大。隨著我國發(fā)電效率提高和火電比例降低,電力等價(jià)值會(huì)不斷減小,氧氣高爐鋼鐵流程的節(jié)能潛力會(huì)隨之增大。若捕集的CO2不封存,氧氣高爐鋼鐵流程的C02直接排放可比傳統(tǒng)流程降低26.2%;若捕集的C02實(shí)現(xiàn)封存,CO2直接排放和凈排放可比傳統(tǒng)流程分別降低56.5%和40.9%。爐頂煤氣循環(huán)氧氣高爐是新穎,并存在爭議的低碳煉鐵技術(shù)。希望本文的方法和結(jié)果能夠?yàn)槲覈摷夹g(shù)的發(fā)展提供幫助,并為該技術(shù)的理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】：氧氣高爐 煤氣循環(huán) 數(shù)學(xué)模型 可行性 碳排放
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TF53
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-14
• 2 文獻(xiàn)綜述14-40
• 2.1 高爐煉鐵工藝發(fā)展現(xiàn)狀14-16
• 2.1.1 高爐煉鐵節(jié)能減排的重要性14-15
• 2.1.2 高爐煉鐵發(fā)展趨勢15-16
• 2.2 氧氣高爐工藝特征及研究進(jìn)展16-22
• 2.2.1 氧氣高爐工藝特征16-17
• 2.2.2 國內(nèi)外典型工藝流程17-22
• 2.3 氧氣高爐數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展22-34
• 2.3.1 全爐能質(zhì)守恒模型22-26
• 2.3.2 全爐一維反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型26-28
• 2.3.3 全爐多維多相流模型28-32
• 2.3.4 風(fēng)口回旋區(qū)燃燒模型32-34
• 2.4 鋼鐵生產(chǎn)流程的能耗和碳排放研究現(xiàn)狀34-39
• 2.4.1 鋼鐵流程能耗研究現(xiàn)狀34-37
• 2.4.2 鋼鐵流程碳排放研究現(xiàn)狀37-39
• 2.5 本文研究內(nèi)容39-40
• 3 氧氣高爐系統(tǒng)工藝模型40-65
• 3.1 工藝模型架構(gòu)40
• 3.2 爐身及爐腹區(qū)傳輸與反應(yīng)模型40-52
• 3.2.1 模型簡化和假設(shè)40-41
• 3.2.2 控制方程41-46
• 3.2.3 化學(xué)反應(yīng)及熔融相變動(dòng)力學(xué)46-52
• 3.3 風(fēng)口回旋區(qū)燃燒模型52-54
• 3.3.1 物質(zhì)平衡52-53
• 3.3.2 能量平衡53-54
• 3.4 爐外煤氣能質(zhì)平衡模型54-55
• 3.5 模型的求解方法55-57
• 3.6 模型的驗(yàn)證57-64
• 3.6.1 萊鋼3號(hào)高爐的基本參數(shù)57-59
• 3.6.2 萊鋼3號(hào)高爐的解剖實(shí)驗(yàn)和模型驗(yàn)證59-60
• 3.6.3 歐盟ULCOS實(shí)驗(yàn)氧氣高爐的驗(yàn)證分析60-64
• 3.7 本章小結(jié)64-65
• 4 氧氣高爐可行工藝及關(guān)鍵參數(shù)分析65-85
• 4.1 萊鋼3號(hào)高爐改造方案分析65-70
• 4.1.1 傳統(tǒng)高爐與氧氣高爐工藝過程的對比65-68
• 4.1.2 萊鋼3號(hào)高爐改造方案的選擇68-70
• 4.2 氧氣高爐關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)分析70-78
• 4.2.1 基本工藝參數(shù)的限定范圍71-74
• 4.2.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的正交試驗(yàn)74
• 4.2.3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的直觀分析74-78
• 4.3 氧氣高爐典型工況能耗和碳流分析78-83
• 4.3.1 氧氣高爐工藝的典型工況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 本章小結(jié)83-85
• 5 氧氣高爐爐內(nèi)關(guān)鍵過程研究85-108
• 5.1 爐料下降運(yùn)動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)研究85-90
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建及實(shí)驗(yàn)方法85-87
• 5.1.2 基本工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果87-88
• 5.1.3 參數(shù)分析88-90
• 5.2 風(fēng)口煤粉燃燒研究90-97
• 5.2.1 風(fēng)口回旋區(qū)燃燒模型91-92
• 5.2.2 回旋區(qū)內(nèi)燃燒過程數(shù)值模擬92-97
• 5.3 煤氣循環(huán)對爐內(nèi)熱化學(xué)過程的影響97-107
• 5.3.1 爐內(nèi)傳輸與反應(yīng)過程模型97-99
• 5.3.2 結(jié)果分析99-107
• 5.4 本章小結(jié)107-108
• 6 氧氣高爐工藝對鋼鐵全流程能耗和碳排放的影響108-128
• 6.1 鋼鐵流程的物質(zhì)流、能量流模型108-111
• 6.1.1 鋼鐵流程的物質(zhì)流、能量流模型框架108
• 6.1.2 鋼鐵流程的物質(zhì)流、能量流平衡108-109
• 6.1.3 鋼鐵流程能耗和碳排放的計(jì)算方法109-111
• 6.2 氧氣高爐鋼鐵流程的物質(zhì)流和能量流111-119
• 6.2.1 物質(zhì)流和能量流分析111-117
• 6.2.2 副產(chǎn)煤氣平衡117-118
• 6.2.3 電力平衡118-119
• 6.3 鋼鐵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 本章小結(jié)126-128
• 7 結(jié)論128-130
• 參考文獻(xiàn)130-143
• 作者簡歷及在學(xué)研究成果143-146
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集146

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