高爐風(fēng)口氫煤共噴的數(shù)值模擬研究

摘要：氫氣是一種無(wú)碳的清潔能源，具有良好的還原性，可替代部分高爐噴吹煤粉。向風(fēng)口噴注氫氣可以降低煤比，減少高爐碳排放。基于數(shù)值模擬方法，建立高爐風(fēng)口噴氫的三維穩(wěn)態(tài)模型，研究噴注不同含量的氫氣與氧氣對(duì)煤粉燃燒和回旋區(qū)狀態(tài)特性的影響。模擬結(jié)果表明，氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量可以促進(jìn)煤粉脫揮發(fā)，但氫氣燃燒會(huì)消耗大量氧氣，降低揮發(fā)分周?chē)难鯕鉂舛?，影響揮發(fā)分的燃燒效率。當(dāng)高爐注氫時(shí)，氧氣消耗速率加快，CO2產(chǎn)生量明顯下降，H2、水蒸氣生成量增加，但CO含量從42.5%下降至38.7%，煤粉燃盡率從69.8%降低至66.4%。當(dāng)富氧率增加2%時(shí)，風(fēng)口出口平均溫度提高22 K，煤粉燃盡率上升2.3%，CO產(chǎn)生量由38.7%提高到40.0%。研究成果可為高爐氫煤共噴操作提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：高爐；回旋區(qū)；噴吹煤粉；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TF538.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）09-000-10

01

Study on Numerical Simulation of Hydrogen Coal Co-injection in Blast Furnace Tuyere

LIU Huan1，2，3， ZHANG Yuansheng1，2，3， LAN Dawei4， ZHANG Jianliang4， LIU Xu1，2，3， WANG Zhiyu1，2，3

（1. BGRIMM Technology Group， Beijing 100160， China; 2. BGRIMM Intelligent Mining Technology Co.， Ltd.;

3. Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology， Beijing 102628， China;

4. School of Metallurgy and Ecological Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Hydrogen is a carbon free clean energy source with good reducibility， which can replace some blast furnace coal powder injection， and injecting hydrogen gas into the tuyere can reduce the coal ratio and decrease the carbon emissions of the blast furnace. Based on numerical simulation methods， a three-dimensional steady-state model of hydrogen injection into blast furnace tuyere is established to study the effects of injecting different contents of hydrogen and oxygen on coal powder combustion and swirling zone state characteristics. The simulation results indicate that the heat generated by hydrogen combustion can promote coal powder devolatilization， but hydrogen combustion consumes a large amount of oxygen， reducing the oxygen concentration around volatile matter and affecting the combustion efficiency of volatile matter. When hydrogen is injected into the blast furnace， the oxygen consumption rate increases， the amount of CO2 produced significantly decreases， the amount of H2 and steam generated increases， but the CO content decreases from 42.5% to 38.7%， and the coal powder burnout rate decreases from 69.8% to 66.4%. When the oxygen enrichment rate increases by 2%， the average temperature at the outlet of the tuyere increases by 22 K， the combustion rate of coal powder increases by 2.3%， and the amount of CO produced increases from 38.7% to 40.0%. The research results provide theoretical guidance and data support for the operation of hydrogen coal co-injection in blast furnaces.

Keywords： blast furnace; circular zone; coal powder injection; numerical simulation

近年來(lái)，由于全球變暖、資源短缺等環(huán)境問(wèn)題日益突出，節(jié)能減排已成為工業(yè)領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)[1]。為了應(yīng)對(duì)碳污染，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更有力的政策，力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放量達(dá)到峰值，爭(zhēng)取于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這預(yù)示著我國(guó)鋼鐵行業(yè)在碳減排方面的投入將達(dá)到前所未有的高度。高爐是煉鐵的主要設(shè)備，作為溫室氣體，CO2排放量約占鋼鐵冶煉全流程的70%[2]。因此，推進(jìn)高爐低碳化煉鐵，對(duì)促進(jìn)鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排具有重要意義[3]。氫氣作為一種綠色無(wú)碳燃料，具有較強(qiáng)的還原性和可燃性，可作為高爐煉鐵時(shí)煤粉燃料的替代品[4]。風(fēng)口富氫噴煤操作可以減少CO2的排放[5]。因此，高爐風(fēng)口富氫噴煤成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[6-10]。

高爐是一個(gè)巨大的密閉反應(yīng)器，內(nèi)部高溫高壓，難以直接觀察與測(cè)量爐內(nèi)物料燃燒反應(yīng)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法為研究高爐注氫噴煤操作提供一種簡(jiǎn)便、有效的途徑[11]。郭術(shù)義等[12]對(duì)高爐內(nèi)部煤粉燃燒現(xiàn)象進(jìn)行模擬研究，但是模型忽略焦炭床對(duì)煤粉燃燒的影響。ZHANG等[13]通過(guò)建立二維高爐數(shù)學(xué)模型，模擬研究高爐回旋區(qū)煤粉燃燒情況，但忽略回旋區(qū)寬度對(duì)煤粉燃燒的影響。NOGAMI等[14]研究一定爐氣量、絕熱火焰溫度和熱金屬溫度下高爐注氫的過(guò)程。模擬結(jié)果表明，隨著注氫比的增加，溫度水平逐漸降低，但該模型沒(méi)有考慮回旋區(qū)的細(xì)節(jié)。綜上，高爐風(fēng)口噴煤的研究很多，但對(duì)高爐風(fēng)口注氫噴煤的研究有待進(jìn)一步深入。

基于數(shù)值模擬方法，利用Fluent軟件，建立高爐下部三維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，包括直吹管、噴槍、風(fēng)口、回旋區(qū)和焦炭床等區(qū)域，運(yùn)用組分輸運(yùn)模型與多孔介質(zhì)算法，模擬研究高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)氫氣、煤粉共噴的燃燒反應(yīng)過(guò)程，分析氣-固、氣-氣的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，研究不同噴吹量的氫氣與氧氣對(duì)煤粉燃盡率與回旋區(qū)冶煉特性的影響。模擬結(jié)果可直觀反映回旋區(qū)的氣體速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與粒徑分布、噴槍到風(fēng)口的平面溫度變化、風(fēng)口中心線上溫度分布與CO、O2、CO2氣體組分分布以及煤粉燃盡情況。研究結(jié)果可為高爐富氫噴煤生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持。

1 高爐風(fēng)口數(shù)學(xué)模型建立與準(zhǔn)確性驗(yàn)證

1.1 數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)某高爐的設(shè)計(jì)參數(shù)與工況數(shù)據(jù)，按照高爐經(jīng)驗(yàn)公式[15]，采用修正后的Hatano模型，建立高爐風(fēng)口回旋區(qū)三維模型。其中，回旋區(qū)深度采用式（1）計(jì)算，回旋區(qū)寬度采用式（2）計(jì)算，回旋區(qū)高度采用式（3）計(jì)算，穿透因子采用式（4）計(jì)算。

D1=0.409×f" 0.693×D2（1）

（2）

（3）

（4）

式中：D1為回旋區(qū)深度，m；W為回旋區(qū)寬度，m；H為回旋區(qū)高度，m；f為穿透因子；D2為風(fēng)口直徑，m；d1為爐腹煤氣密度，取1.25 kg/m3；d2為焦炭粒子密度，取600 kg/m3；D3為風(fēng)口焦炭粒度，取0.016 m；V為風(fēng)口流量，m3/h；S為風(fēng)口面積，m2；T為回旋區(qū)理論燃燒溫度，K；P為鼓風(fēng)壓強(qiáng)，MPa。

模型基于歐拉-拉格朗日算法，將高溫鼓風(fēng)、氫氣定義為氣相，煤粉顆粒與焦炭定義為固相，描述氣相和固相為相互貫穿的連續(xù)相，并假設(shè)其體積分?jǐn)?shù)在空間和時(shí)間上為連續(xù)分?jǐn)?shù)。模型采用三維穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程，結(jié)合能量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、組分輸運(yùn)模型與離散相模型描述氣體與顆粒運(yùn)動(dòng)，綜合考慮鼓風(fēng)穿透力、入爐焦炭重力作用以及爐壁的反作用力對(duì)煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，用牛頓第二定律描述煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)力。運(yùn)用離散隨機(jī)游走模型對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，考慮鼓風(fēng)湍流速度對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，采用對(duì)流運(yùn)動(dòng)學(xué)格式的二階逆風(fēng)格式對(duì)各標(biāo)量的對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行離散。

高爐的煤粉、氫氣噴槍直徑均為18 mm，風(fēng)口直徑為120 mm，結(jié)合高爐操作參數(shù)（見(jiàn)表1），按照上述高爐經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到高爐回旋區(qū)前端距風(fēng)口的最大水平距離為2 003 mm，回旋區(qū)的寬度為

800 mm，回旋區(qū)高度為1 150 mm。根據(jù)相關(guān)研究的回旋區(qū)建模方法[16-18]，將回旋區(qū)設(shè)計(jì)為氣球形，建立高爐風(fēng)口回旋區(qū)三維數(shù)學(xué)模型，如圖1（a）所示。直吹管、風(fēng)口及回旋區(qū)如圖1（b）所示，煤粉、氫氣噴槍尺寸如圖1（c）所示。煤粉、氫氣噴槍出口位于風(fēng)口中心線上，距離風(fēng)口200 mm，噴槍以10°角插入熱風(fēng)吹管。將風(fēng)口與回旋區(qū)定義為空腔，焦炭床定義為多孔介質(zhì)區(qū)域，孔隙度為0.3。

對(duì)熱風(fēng)、煤粉顆粒與焦炭床的燃燒傳熱傳質(zhì)進(jìn)行模擬研究，并根據(jù)相關(guān)研究得到子模型的設(shè)置方法[19-22]。高揮發(fā)分煤粉的脫揮發(fā)過(guò)程與燃燒反應(yīng)包括顆粒預(yù)熱、顆粒釋放揮發(fā)分和殘?zhí)?、揮發(fā)分燃燒、殘?zhí)佳趸瘹饣豢捎脝尾椒磻?yīng)描述。因此，采用雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬高揮發(fā)分煤粉的脫揮發(fā)過(guò)程與燃燒反應(yīng)[9]。氣相與煤粉、焦炭顆粒的控制方程主要有質(zhì)量方程、動(dòng)量方程與能量方程。

煤粉由揮發(fā)分、固定碳、灰分和水分組成，煤粉粒徑分布根據(jù)Rosin-Rammler分布函數(shù)設(shè)置，平均粒徑為75 μm。煤粉工業(yè)分析結(jié)果如表2所示，元素分析結(jié)果如表3所示，粒徑分布如表4所示。為簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算速度，模型假設(shè)焦炭顆粒形狀為球形，將焦炭床視為各向同性多孔介質(zhì)，考慮氣-氣、氣-固的對(duì)流換熱與輻射換熱。高爐風(fēng)口氫煤共噴涉及多個(gè)關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)[23-28]，包括氫氣燃燒、煤粉脫揮發(fā)、殘?zhí)既紵蜌饣?、焦炭燃燒和氣化，如式?）至式（9）所示。其間，煤粉發(fā)生分解反應(yīng)，生成揮發(fā)分和碳。揮發(fā)分與氧氣反應(yīng)，生成CO2、H2O和N2。氣體燃燒反應(yīng)用渦耗散模型來(lái)描述，氣-氣的反應(yīng)速率由反應(yīng)物平均濃度、湍流動(dòng)能和湍流耗散率共同決定。焦炭顆粒的燃燒和氣化反應(yīng)用Gibb模型描述，考慮擴(kuò)散速率和表面反應(yīng)速率，即O2、CO2、H2O等氣體在與焦炭顆粒反應(yīng)之前，都必須先接觸并滲透焦炭邊界層。需要注意的是，研究重點(diǎn)是風(fēng)口噴注氫氣對(duì)煤粉燃燒效率和回旋區(qū)冶煉特性的影響，因此未考慮還原性氣體還原鐵礦石的反應(yīng)。

C+0.5O2→CO（5）

C+CO2→2CO（6）

C+H2O→CO+H2（7）

CO+0.5O2→CO2（8）

H2+0.5O2→H2O（9）

為了確保高爐風(fēng)口噴注氫氣時(shí)風(fēng)口回旋區(qū)的冶煉狀態(tài)基本維持穩(wěn)定，根據(jù)物料平衡和能量平衡計(jì)算，設(shè)置3種操作工況，如表5所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，工況1作為對(duì)照條件，只噴注煤粉，沒(méi)有噴注氫氣，在后2種工況下，分別噴注氫氣并改變富氧率。

1.2 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為證明模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將該高爐提供的理論燃燒溫度、風(fēng)口速度與模型模擬的工況1生產(chǎn)條件下所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，實(shí)際生產(chǎn)的風(fēng)口速度為274 m/s，仿真模擬的風(fēng)口速度為277 m/s，二者的誤差為1.09%；實(shí)際生產(chǎn)的理論燃燒溫度為

2 661 K，仿真模擬的理論燃燒溫度為2 689 K，二者的誤差為1.05%。2個(gè)指標(biāo)值的誤差均小于1.1%，說(shuō)明模型的模擬結(jié)果可信。此外，模型關(guān)于氣體流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果與相關(guān)研究結(jié)果非常相似[29]，充分說(shuō)明模型的可靠性。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 回旋區(qū)速度場(chǎng)流場(chǎng)分布

3種氫煤共注工況下，風(fēng)口回旋區(qū)氣體速度場(chǎng)分布如圖2所示。高溫鼓風(fēng)在直吹管內(nèi)流動(dòng)，氫氣、輸送氣體N2和煤粉離開(kāi)噴槍后開(kāi)始接觸并通過(guò)直徑不斷減小的風(fēng)口持續(xù)加速。沿著風(fēng)口中心線，在3種工況下，氣體進(jìn)入回旋區(qū)時(shí)的速度都提升到277 m/s左右，在回旋區(qū)內(nèi)沿風(fēng)口中心線的下邊界，氣體速度降至80 m/s左右。由于氣體在回旋區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷與焦炭床接觸，受到顆粒阻力作用，因此氣體在回旋區(qū)內(nèi)形成低速循環(huán)，流動(dòng)至回旋區(qū)上邊界時(shí)，速度降低至8 m/s左右。

工況3條件下注入氫氣，富氧率提高至4%時(shí)，氧氣含量增多，導(dǎo)致風(fēng)口部位進(jìn)行更加劇烈的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生更多氣體，因此回旋區(qū)出現(xiàn)更多高速區(qū)域。通過(guò)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)速度場(chǎng)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工況2與工況3條件下注入氫氣時(shí)，回旋區(qū)內(nèi)氣體速度分布與工況1只噴注煤粉時(shí)的速度場(chǎng)非常相似，說(shuō)明3種工況下噴注氫氣與富氧對(duì)高爐風(fēng)口回旋區(qū)的氣體速度場(chǎng)影響不大。經(jīng)能量平衡與質(zhì)量平衡的計(jì)算，可減少噴注氫氣時(shí)代替的部分噴煤量，因此氫氣和氧氣噴注量的變化對(duì)風(fēng)口和回旋道內(nèi)的氣體速度場(chǎng)沒(méi)有顯著的影響，從高爐冶煉需要穩(wěn)定生產(chǎn)的角度來(lái)看，氫氣和煤粉共噴是可取的，說(shuō)明煤氫共噴的可行性。

2.2 煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與粒徑分布

3種氫煤共注工況下，高爐下部對(duì)應(yīng)煤粉粒徑分布的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。在所有工況下，粒徑小于40 μm的煤粉顆粒慣性小，在回旋區(qū)內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，可與氧氣充分接觸；粒徑大于40 μm而小于

80 μm的煤粉顆粒在回旋區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷改變速度方向，在達(dá)到回旋區(qū)上邊界時(shí)離開(kāi)回旋區(qū)并向上運(yùn)動(dòng)；粒徑大于80 μm的煤粉顆粒在離開(kāi)回旋區(qū)邊界后可以保持初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入焦炭床。

2.3 溫度場(chǎng)分布

3種工況下，改變噴氫量和富氧率時(shí)，煤粉噴槍出口至風(fēng)口出口的區(qū)域氣體溫度變化如圖4所示。結(jié)果表明，與只注入煤粉的工況1相比，注入氫氣后，風(fēng)口內(nèi)氣相溫度分布發(fā)生顯著變化。在氫氣噴槍出口處，由于大量常溫氫氣的注入，溫度有所下降，隨著氫氣與高溫鼓風(fēng)繼續(xù)接觸換熱，氫氣燃燒釋放的熱量導(dǎo)致風(fēng)口出口的平均溫度總體上升。由于氫氣與氧氣接觸發(fā)生燃燒反應(yīng)，因此工況2的風(fēng)口溫度高于工況1，高溫區(qū)域集中在靠近風(fēng)口壁的區(qū)域。工況2與工況3中噴注的氫氣離開(kāi)噴槍后，迅速與周?chē)母邷毓娘L(fēng)進(jìn)行熱交換，并與氧氣接觸燃燒。氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量使得風(fēng)口內(nèi)高溫區(qū)域面積擴(kuò)大，使得風(fēng)口中心溫度較高。3種工況下，風(fēng)口出口平均溫度分別為1 466 K、1 485 K和1 507 K。

3種工況下，風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)分布如圖5所示。在3種工況下，沿煤粉羽流中心的最高溫度分別出現(xiàn)在距離風(fēng)口出口1.0 m、0.9 m和0.8 m處，分別為2 712 K、2 743 K和2 785 K。當(dāng)工況2從噴槍噴注氫氣時(shí)，氫氣優(yōu)先與氧氣發(fā)生反應(yīng)，會(huì)釋放大量熱量，促進(jìn)煤粉揮發(fā)分的析出，造成回旋區(qū)靠近風(fēng)口部位的溫度較高。但是，氫氣燃燒產(chǎn)生更多水蒸氣，促進(jìn)水煤氣反應(yīng)，此反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，導(dǎo)致回旋區(qū)內(nèi)靠近尾部區(qū)域的溫度明顯降低。值得注意的是，氫氣燃燒消耗大量的氧氣，導(dǎo)致煤粉羽流周?chē)难鯕鉂舛冉档?，影響揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致煤粉燃燒釋放的熱量降低，進(jìn)一步加劇回旋區(qū)尾部邊界溫度降低。工況3在噴注氫氣的同時(shí)將富氧率提高至4%，回旋區(qū)的溫度水平顯著提高，增加煤粉羽流周?chē)难鯕鉂舛?，促進(jìn)揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)，說(shuō)明增加富氧率有利于提高煤粉的燃燒效率。

3種工況下，風(fēng)口中心線上溫度變化分布如圖6所示。與工況1相比，工況2噴注氫氣后，氫氣燃燒放熱，造成風(fēng)口中心線上前0.6 m的溫度高于工況1，促進(jìn)揮發(fā)分的析出。但是，煤粉羽流周?chē)鯕鉂舛冉档?，影響揮發(fā)分的燃燒效率，導(dǎo)致回旋區(qū)尾部溫度較低，風(fēng)口中心線上最高溫度降低約30 K。工況3富氧率提高至4%后，回旋區(qū)內(nèi)溫度水平升高，更快達(dá)到最高溫度，說(shuō)明富氧可以促進(jìn)煤粉燃燒放熱。

2.4 氣體組分分布

3種工況下，CO、O2與CO2氣體組分含量分布分別如圖7、圖8和圖9所示。煤粉顆粒羽流周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生大量的CO2，因?yàn)樵诳拷L(fēng)口的區(qū)域，有足夠的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生CO2，但幾乎不產(chǎn)生CO。在缺氧區(qū)，顆粒發(fā)生氣化反應(yīng)生成CO，總體上，CO含量在回旋區(qū)內(nèi)保持在較低水平。在焦炭床中，CO2與焦炭顆粒反應(yīng)生成CO，使CO含量迅速上升。與工況1噴射煤粉相比，工況2噴注大量氫氣后，氧氣消耗速度明顯加快，CO2濃度明顯降低。這是由于氫和氧發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)，燃燒產(chǎn)生的水蒸氣與焦炭顆粒接觸，發(fā)生氣化反應(yīng)，導(dǎo)致H2含量增加，稀釋CO2濃度。工況3將富氧率提升至4%，加速CO的產(chǎn)生，CO2在回旋區(qū)內(nèi)的分布面積和含量均高于工況2，說(shuō)明增加氧氣濃度促進(jìn)煤粉揮發(fā)分的析出與燃燒。煤粉與更多的氧氣反應(yīng)生成CO2，CO2作為產(chǎn)生還原性氣體CO的中間反應(yīng)物，與焦炭顆粒生成更多的CO，導(dǎo)致CO含量增加，說(shuō)明氧氣濃度的增加有利于還原性氣體的產(chǎn)生。

3種工況下，風(fēng)口中心線上，H2O、H2氣體含量的分布如圖10所示。結(jié)合圖8可以看出，工況2噴注氫氣后消耗大量氧氣，導(dǎo)致氧氣消耗速度加快。工況1沒(méi)有注氫，在回旋區(qū)內(nèi)0.7 m處CO2濃度達(dá)到峰值，最大值為15.5%。在工況2與工況3條件下，CO2濃度分別在回旋區(qū)內(nèi)0.54 m和0.5 m處達(dá)到峰值，最大值分別為12.1%和14.6%，說(shuō)明氫氣使CO2產(chǎn)生速度加快，但產(chǎn)生量降低，提高富氧率促進(jìn)煤粉燃燒的同時(shí)增加CO2產(chǎn)生量。3種工況下，CO含量分別為42.5%、38.7%、40.0%，說(shuō)明氫氣促進(jìn)煤粉的揮發(fā)，但抑制殘余碳的燃燒，減少CO產(chǎn)生量，H2含量分別為8.0%、9.6%、11.0%，說(shuō)明噴注氫氣和提高富氧率都可以產(chǎn)生更多的H2。增加氧含量可以促進(jìn)煤粉的燃燒，產(chǎn)生更多的還原性氣體。

2.5 煤粉燃盡率分布

部分煤粉顆粒在回旋區(qū)停留時(shí)間較短，未完全燃燒反應(yīng)就進(jìn)入焦炭床，影響高爐透氣性。為了評(píng)價(jià)煤粉在高爐冶煉過(guò)程中的燃燒效率，通常用燃盡率來(lái)表征。煤粉燃盡率可以反映揮發(fā)分析出和殘?zhí)嫉难趸瘹饣斐擅悍塾袡C(jī)物的質(zhì)量損失。根據(jù)灰分平衡，可以采用式（10）計(jì)算煤粉顆粒的燃盡率。

（10）

式中：B為煤粉顆粒的燃盡率，%；m0為原始煤粉顆?；曳趾?，g；m為燃燒后煤粉顆?；曳趾?，g。

計(jì)算域內(nèi)，煤粉顆粒燃盡率分布如圖11所示。3種工況下，煤粉顆粒進(jìn)入回旋區(qū)后形成傾斜羽流，部分顆粒在回旋區(qū)內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。煤粉羽流中心區(qū)域的氧氣濃度較低，靠近煤粉羽流中心的顆粒燃盡率較低，這是由于該部分顆粒尺寸較大，直接沿初始運(yùn)動(dòng)方向離開(kāi)回旋區(qū)，顆粒未充分燃燒就進(jìn)入爐缸區(qū)域，未燃盡粒子堆積在爐缸死料柱部位，影響高爐透氣性。由于體積小且慣性小，遠(yuǎn)離煤粉羽流中心的顆粒在回旋區(qū)內(nèi)跟隨熱風(fēng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，充分?jǐn)U散并與氧氣接觸，煤粉幾乎完全燃燒，燃盡率較高。

3種工況下，回旋區(qū)內(nèi)煤粉燃盡率分布如圖12所示。在3種工況下，整個(gè)回旋區(qū)的燃盡率分別為69.8%、66.4%、68.7%。工況2噴注氫氣后，煤粉的燃盡率比工況1降低3.4%，說(shuō)明氫氣抑制煤粉的燃燒效率。當(dāng)工況3富氧率提升至4%時(shí)，煤粉的燃盡率比工況2升高2.3%，說(shuō)明氧氣能夠促進(jìn)煤粉的燃盡。噴注氫氣影響煤粉的燃燒反應(yīng)，因?yàn)闅錃夂脱鯕獾娜紵磻?yīng)優(yōu)先發(fā)生在風(fēng)口和回旋區(qū)，導(dǎo)致煤粉羽流周?chē)难鯕鉂舛冉档停焕趽]發(fā)物的燃燒和殘?zhí)嫉姆磻?yīng)，從而影響煤粉的燃盡率。未完全燃燒的顆粒進(jìn)入爐缸，會(huì)積聚并堵塞焦炭床內(nèi)的煤氣通道，影響高爐的透氣性，不利于高爐的運(yùn)行。富氧率的增加直接提升煤粉周?chē)难鯕鉂舛龋欣趽]發(fā)分燃燒和殘?zhí)挤磻?yīng)，導(dǎo)致煤粉燃盡率上升。

3 結(jié)論

通過(guò)建立高爐風(fēng)口回旋區(qū)富氫噴煤燃燒三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)包括直吹管、噴槍、風(fēng)口、回旋區(qū)、焦炭床等高爐下部區(qū)域在內(nèi)的煤粉燃燒與回旋區(qū)冶煉特性進(jìn)行模擬研究，并結(jié)合該高爐提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)模擬結(jié)果，可以揭示不同噴注量的氫氣與氧氣工況下高爐風(fēng)口回旋區(qū)的煤氣流速度場(chǎng)、煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與粒徑分布、回旋區(qū)溫度場(chǎng)、煤粉噴槍至風(fēng)口的平面溫度分布、風(fēng)口中心線上溫度分布與CO、O2、CO2氣體組分分布以及煤粉燃盡率。結(jié)果表明，高爐噴注氫氣后，氫氣與氧氣接觸并在風(fēng)口部位迅速燃燒，導(dǎo)致靠近風(fēng)口壁的區(qū)域溫度較高，氧氣消耗速率加快，生成大量水蒸氣，加劇殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)，造成回旋區(qū)尾部溫度較低，不利于高爐正常冶煉。因此，有必要通過(guò)減小噴煤量、增加富氧率等措施對(duì)高爐回旋區(qū)進(jìn)行補(bǔ)熱。高爐噴注氫氣量增加，生成的CO2含量明顯下降，降低高爐冶煉的碳排放。氫氣燃燒放熱促進(jìn)煤粉的脫揮發(fā)，但氫氣燃燒消耗大量氧氣，影響揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)，降低CO產(chǎn)生量與煤粉燃盡率，但生成的H2與水蒸氣含量增加。向高爐風(fēng)口噴注氫氣的同時(shí)提高富氧率，可提升回旋區(qū)內(nèi)平均溫度水平，有利于煤粉充分燃燒反應(yīng)，當(dāng)富氧率上升時(shí)，生成的還原性氣體CO與H2含量明顯上升，這說(shuō)明氧氣在煤粉燃燒過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。

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