基于煤气化学能最大化利用的上部吹氧竖炉静态模型

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.06.016 第34卷第6期 北京科技大学学报 Vol.34 No.6 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 基于煤气化学能最大化利用的上部吹氧竖炉静态模型 刘炳南”李强)✉冯明霞》 邹宗树”余艾冰1，) 1)东北大学材料与治金学院，沈阳1100042)辽宁科技学院治金工程学院，本溪1170223)新南威尔士大学材料科学与工程学院颗粒系 统模拟研究中心，新南威尔士2052，澳大利亚 通信作者，E-mail:lig@smm.neu.cdu.cm 摘要针对竖炉生产中存在的煤气还原势未能充分利用、煤气消耗量高以及二氧化碳排放高等问题，设计出一种上部增设 吹氧装置的竖炉.基于物料平衡和热平衡建立了上部吹氧竖炉的静态模型，并对其进行了数值求解模拟和分析.模拟结果表 明，在典型条件下，上部吹氧竖炉每吨直接还原铁的还原煤气量为1404.67m3,吹氧量为20.32m,煤气出口还原势降至0.56， 排碳量减少26.25%，能耗减少19.56%. 关键词竖炉：直接还原：能量利用：吹氧：数学模型 分类号TF554 Static model of shaft furnaces with oxygen injection based on chemical energy maximized utilization LIU Bing-nan",LI Qiang》☒，FENG Ming-xia》,Z0 U Zong-shu,YU Ai-bing 1)School of Materials and Metallurgy,Northeastemn University,Shenyang 110004,China 2)School of Metallurgy,Liaoning Institute of Science and Technology,Benxi 117022,China 3)Center for Simulation and Modeling of Particulate Systems,School of Materials Science and Engineering,University of New South Wales,New South Wales 2052,Australia Corresponding author,E-mail:lig@smm.neu.edu.cn ABSTRACT In consideration of such problems as low gas utilization ratio,large gas consumption and high carbon dioxide emissions, a method was proposed by designing a new shaft furnace with oxygen injection into the upper zone.Based on the mass and energy bal- ances of gas and solid phases,a static model of the shaft furnace was developed to simulate the iron-making process in the shaft fur- nace.Calculating results show that under the typical operation conditions,the gas volume of the shaft furnace with oxygen injection is 1404.67m,and the oxygen volume is 20.32mfor per ton of direct reduction iron.In comparison with a traditional shaft furnace,the reduction potential of top gas decreases to 0.56,the carbon emission decreases by 26.25%,and the energy consumption decreases by 19.56%. KEY WORDS shaft furnaces:direct reduction process;energy utilization;oxygen injection:mathematical models 竖炉是生产直接还原铁的主要反应器，也是两 度来看，入口煤气温度的限制，使得为满足热平衡不 步式或三步式熔融还原工艺预还原阶段常用的反应 得不通入大量的煤气，造成炉顶煤气还原势过高 器.目前，竖炉生产中存在煤气还原势未能充分利 由于氢气还原铁的各级氧化物都是吸热反应，而C0 用的问题，表现为竖炉出口具有较高的还原势化学 还原铁氧化物的大部分反应是放热反应，从满足还 能，致使能耗很高. 原所需的热量来看，用H2还原铁氧化物是不利 从还原反应角度来看，从FeO到Fe反应的还 的回.高氢气含量煤气用于还原可能导致供热不足 原势需求是还原所需气量的限制环节口.从供热角 成为人们关注的焦点 收稿日期：201105-25 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2011BAF04B01:2011BAE04B02):国家自然科学基金资助项目(50774019：51174053：51104037)：教有 部高等学校博士学科点新教师基金资助项目(200801451091)

第 34 卷 第 6 期 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 6 Jun． 2012 基于煤气化学能最大化利用的上部吹氧竖炉静态模型 刘炳南1) 李 强1) 冯明霞2) 邹宗树1) 余艾冰1，3) 1) 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110004 2) 辽宁科技学院冶金工程学院，本溪 117022 3) 新南威尔士大学材料科学与工程学院颗粒系 统模拟研究中心，新南威尔士 2052，澳大利亚 通信作者，E-mail: liq@ smm． neu． edu． cn 摘 要 针对竖炉生产中存在的煤气还原势未能充分利用、煤气消耗量高以及二氧化碳排放高等问题，设计出一种上部增设 吹氧装置的竖炉． 基于物料平衡和热平衡建立了上部吹氧竖炉的静态模型，并对其进行了数值求解模拟和分析． 模拟结果表 明，在典型条件下，上部吹氧竖炉每吨直接还原铁的还原煤气量为 1404. 67 m3 ，吹氧量为 20. 32 m3 ，煤气出口还原势降至 0. 56， 排碳量减少 26. 25% ，能耗减少 19. 56% ． 关键词 竖炉; 直接还原; 能量利用; 吹氧; 数学模型 分类号 TF554 Static model of shaft furnaces with oxygen injection based on chemical energy maximized utilization LIU Bing-nan1) ，LI Qiang1) ，FENG Ming-xia2) ，ZOU Zong-shu1) ，YU Ai-bing1，3) 1) School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China 2) School of Metallurgy，Liaoning Institute of Science and Technology，Benxi 117022，China 3) Center for Simulation and Modeling of Particulate Systems，School of Materials Science and Engineering，University of New South Wales，New South Wales 2052，Australia Corresponding author，E-mail: liq@ smm． neu． edu． cn ABSTRACT In consideration of such problems as low gas utilization ratio，large gas consumption and high carbon dioxide emissions， a method was proposed by designing a new shaft furnace with oxygen injection into the upper zone． Based on the mass and energy bal￾ances of gas and solid phases，a static model of the shaft furnace was developed to simulate the iron-making process in the shaft fur￾nace． Calculating results show that under the typical operation conditions，the gas volume of the shaft furnace with oxygen injection is 1 404. 67 m3 ，and the oxygen volume is 20. 32 m3 for per ton of direct reduction iron． In comparison with a traditional shaft furnace，the reduction potential of top gas decreases to 0. 56，the carbon emission decreases by 26. 25% ，and the energy consumption decreases by 19. 56% ． KEY WORDS shaft furnaces; direct reduction process; energy utilization; oxygen injection; mathematical models 收稿日期: 2011--05--25 基金项目: 国家科技支撑计划资助项目( 2011BAE04B01; 2011BAE04B02) ; 国家自然科学基金资助项目( 50774019; 51174053; 51104037) ; 教育 部高等学校博士学科点新教师基金资助项目( 200801451091) 竖炉是生产直接还原铁的主要反应器，也是两 步式或三步式熔融还原工艺预还原阶段常用的反应 器． 目前，竖炉生产中存在煤气还原势未能充分利 用的问题，表现为竖炉出口具有较高的还原势化学 能，致使能耗很高． 从还原反应角度来看，从 FeO 到 Fe 反应的还 原势需求是还原所需气量的限制环节［1］． 从供热角 度来看，入口煤气温度的限制，使得为满足热平衡不 得不通入大量的煤气，造成炉顶煤气还原势过高． 由于氢气还原铁的各级氧化物都是吸热反应，而 CO 还原铁氧化物的大部分反应是放热反应，从满足还 原所需 的 热 量 来 看，用 H2 还原铁氧化物是不利 的［2］． 高氢气含量煤气用于还原可能导致供热不足 成为人们关注的焦点． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.06.016

·692· 北京科技大学学报 第34卷 针对以上问题，本文提出一种吹氧竖炉的新 (4)竖炉排出炉料中的脉石的质量为 工艺，设计出一种上部增设吹氧装置的竖炉（以下 Wmge=Wae（1-Xfe0.ome-Xfe204ore-XH,0oe）. 简称吹氧竖炉).在竖炉上部适当部位吹入02，通 (15) 过部分煤气的二次燃烧提供热量，打破只依赖煤 式中，X0和X4o.n分别为矿石中Fe,0,和水的 气物理热的局限，从而降低煤气需要量，同时也降 质量分数. 低了出口煤气还原势，从本质上提高其能量利用 (5)竖炉炉顶煤气量和成分为 系数 Vo=V+Vg.o' (16) 1竖炉的静态模型 Yco=（Vsas.Xco-Vcor-Vco.e）/V=mi'(（17） 本文以MIDREX竖炉为研究对象建立传统竖 Y电=(VX-Voe-Vh.e)/V=am’(18) Yco=(VXco+Vcoz+Vco.e+Vcm /V 炉和上部吹氧竖炉的静态模型，其内部存在的相及 (19) 其成分为：气相有C0、C02、H2、H20和CH4,固相有 Fe,03、Fe304、Fe0、Fe、Ca0、MgO、SiO2H,0和脉石. YH2o =(V+VHao.+Vgo.+Vz.+ 主要存在如下反应B: 2Vcl)/Pam’ (20) 3Fe203+C0=2Fe04+C02, (1) Ycm=(VXc-Vcm)/V (21) Fe304+C0=3Fe0+C02, (2) 式中，V为竖炉还原需要的煤气体积，V,为炉 FeO+CO=Fe +CO,, (3) 顶煤气体积，VH,o,h为炉料带入到竖炉中的水的体 3Fe,O3+H2=2Fe30,+H,0, (4) 积，Vo,为吹入的氧的体积，V0.为H,还原矿石而产 Fe304+H2=3Fe0+H20, (5) 生的水的体积，Vco.为C0还原矿石而产生的C02 FeO+H,Fe +H,O. (6) 的体积，Vco.eVE和VcH4e分别为发生燃烧反应的 由于在吹氧竖炉上部适当位置，燃烧少量煤气， CO、H2和CH,的体积，Xco、XH,、Xco2XH,o和XcH分 本模型也考虑如下反应： 别为还原煤气中C0、H2、C02、H0和CH,的体积分 c0+0,=c0, (7) 数，YcoY,Yco,YH,o和YcH分别为炉顶煤气中C0、 H2、C02、H,0和CH,的体积分数. H+20,=H0 (8) 1.2竖炉的热收入与热支出 竖炉的固相物料在室温加入，气相的温度远高 CH4+202=2H20+C02. (9) 于室温，所以在热平衡计算时只考虑还原煤气的显 1.1竖炉的物料收入与支出 热.因此竖炉的热收入为还原煤气带入的显热和煤 根据竖炉固相物料成分和金属化率计算总失氧 气燃烧反应热，热支出包括矿石还原反应热、水的蒸 量、金属铁量和脉石量：根据总失氧量、固相物料的 发热、炉顶煤气显热、固相炉料的显热和热损 水含量和还原煤气成分计算炉顶煤气成分.具体计 失B-).各部分热量的计算式如下 算式如下 (1)还原煤气带入的显热为 (1)竖炉的总失氧质量为 W。=Wo1+W2, (10) Qan=∑V=X,H, W1=We（Xe,m-XFo.me×56/72)/112×16, i为C0、C02、H2、H20和CH4. (22) (11) 式中，H为i气体的热焓. W2=WmXe,e/56×16×RM (12) (2)煤气燃烧反应热为 式中，Wo为竖炉中Fez03还原至Fe0失去的氧的质 Q。=（Vco.e×282.98+VHe×241.82+ 量，We为竖炉中FeO还原至Fe失去的氧的质量， VcH,e×890)×1000/22.4. (23) W为矿石的质量，Xo,e和Xe,m分别为矿石中 (3)矿石还原反应热为 Fe0和全铁的质量分数，Ru为金属化率 Q.=[Wo1/16×Rco×2.27+Wo1/16×Rco× (2)竖炉排出炉料中金属铁的质量为 (-4.43)+Wo/16×RH,×12.1+W2/16× WFe WoreXFe.ore R. (13) R×5.4]×1000×4.184.(24) (3)竖炉排出炉料中的Fe0的质量为 式中，Ro和R,分别为还原性气体中C0和H2的体 Wo=Wore Xge.ure(1-Rn）×72/56. (14) 积分数

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 针对以上问题，本文提出一种吹氧竖炉的新 工艺，设计出一种上部增设吹氧装置的竖炉( 以下 简称吹氧竖炉) ． 在竖炉上部适当部位吹入 O2，通 过部分煤气的二次燃烧提供热量，打破只依赖煤 气物理热的局限，从而降低煤气需要量，同时也降 低了出口煤气还原势，从本质上提高其能量利用 系数． 1 竖炉的静态模型 本文以 MIDREX 竖炉为研究对象建立传统竖 炉和上部吹氧竖炉的静态模型，其内部存在的相及 其成分为: 气相有 CO、CO2、H2、H2O 和 CH4，固相有 Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe、CaO、MgO、SiO2、H2O 和脉石． 主要存在如下反应［3--4］: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2， ( 1) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2， ( 2) FeO + CO = Fe + CO2， ( 3) 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O， ( 4) Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O， ( 5) FeO + H2 = Fe + H2O． ( 6) 由于在吹氧竖炉上部适当位置，燃烧少量煤气， 本模型也考虑如下反应: CO + 1 2 O2 = CO2， ( 7) H2 + 1 2 O2 = H2O， ( 8) CH4 + 2O2 = 2H2O + CO2 ． ( 9) 1. 1 竖炉的物料收入与支出 根据竖炉固相物料成分和金属化率计算总失氧 量、金属铁量和脉石量; 根据总失氧量、固相物料的 水含量和还原煤气成分计算炉顶煤气成分． 具体计 算式如下［5］． ( 1) 竖炉的总失氧质量为 WO = WO1 + WO2， ( 10) WO1 = Wore ( XFe，ore － XFeO，ore × 56 /72) /112 × 16， ( 11) WO2 = WoreXFe，ore /56 × 16 × RM ． ( 12) 式中，WO1为竖炉中 Fe2O3还原至 FeO 失去的氧的质 量，WO2为竖炉中 FeO 还原至 Fe 失去的氧的质量， Wore为矿 石 的 质 量，XFeO，ore 和 XFe，ore 分 别 为 矿 石 中 FeO 和全铁的质量分数，RM为金属化率． ( 2) 竖炉排出炉料中金属铁的质量为 WFe = WoreXFe，oreRM ． ( 13) ( 3) 竖炉排出炉料中的 FeO 的质量为 WFeO = WoreXFe，ore ( 1 － RM ) × 72 /56． ( 14) ( 4) 竖炉排出炉料中的脉石的质量为 Wgangue = Wore ( 1 － XFeO，ore － XFe2O3，ore － XH2O，ore ) ． ( 15) 式中，XFe2O3，ore和 XH2O，ore分别为矿石中 Fe2O3和水的 质量分数． ( 5) 竖炉炉顶煤气量和成分为 Vgas，out = Vgas，r + VH2O，shaft + VO2 ， ( 16) YCO = ( Vgas，rXCO － VCO2，r － VCO，c ) /Vgas，out， ( 17) YH2 = ( Vgas，rXH2 － VH2O，r － VH2，c ) /Vgas，out， ( 18) YCO2 = ( Vgas，rXCO2 + VCO2，r + VCO，c + VCH4，c ) /Vgas，out， ( 19) YH2O = ( Vgas，rXH2O + VH2O，r + VH2O，shaft + VH2，c + 2VCH4，c ) /Vgas，out， ( 20) YCH4 = ( Vgas，rXCH4 － VCH4，c ) /Vgas，out ． ( 21) 式中，Vgas，r为竖炉还原需要的煤气体积，Vgas，out为炉 顶煤气体积，VH2O，shaft为炉料带入到竖炉中的水的体 积，VO2为吹入的氧的体积，VH2O，r为 H2还原矿石而产 生的水的体积，VCO2，r为 CO 还原矿石而产生的 CO2 的体积，VCO，c、VH2，c和 VCH4，c分别为发生燃烧反应的 CO、H2和 CH4 的体积，XCO、XH2 、XCO2 、XH2O和 XCH4 分 别为还原煤气中 CO、H2、CO2、H2O 和 CH4的体积分 数，YCO、YH2 、YCO2 、YH2O和 YCH4分别为炉顶煤气中 CO、 H2、CO2、H2O 和 CH4的体积分数． 1. 2 竖炉的热收入与热支出 竖炉的固相物料在室温加入，气相的温度远高 于室温，所以在热平衡计算时只考虑还原煤气的显 热． 因此竖炉的热收入为还原煤气带入的显热和煤 气燃烧反应热，热支出包括矿石还原反应热、水的蒸 发热、炉 顶 煤 气 显 热、固相炉料的显热和热损 失［5--7］． 各部分热量的计算式如下． ( 1) 还原煤气带入的显热为 Qgas，in = ∑i Vgas，rXiHi， i 为 CO、CO2、H2、H2O 和 CH4 ． ( 22) 式中，Hi 为 i 气体的热焓． ( 2) 煤气燃烧反应热为 Qc = ( VCO，c × 282. 98 + VH2，c × 241. 82 + VCH4，c × 890) × 1 000 /22. 4． ( 23) ( 3) 矿石还原反应热为 Qr =［WO1 /16 × RCO × 2. 27 + WO1 /16 × RCO × ( － 4. 43) + WO1 /16 × RH2 × 12. 1 + WO2 /16 × RH2 × 5. 4］× 1 000 × 4. 184． ( 24) 式中，RCO和 RH2分别为还原性气体中 CO 和 H2的体 积分数． ·692·

第6期 刘炳南等：基于煤气化学能最大化利用的上部吹氧竖炉静态模型 ·693· (4)炉料中水的蒸发热为 (I)从还原角度出发，Fe0到Fe的还原是炉内 Qapm=WXh0.e/18×44225. (25) 还原所需气量的限制环节，而FO还原到金属铁时 (5)炉顶煤气显热为 煤气利用率最高只有30%.根据物料平衡，即满 Qam=∑Vauy,H, 足FeO到Fe反应所需的还原势，计算所需要的还 原煤气量为 i为C0、C02、H2、H20和CH4 (26) (6)固相炉料显热为 VXm+VuXo+Vcer+V0r≤0.3，(29) Qata=WeHe。+WroHo+Wpe pe·(27） Ver-VXCH 式中，HHo和H,c分别为Fe、FeO和脉石的热焓. W2/16×Rco×22.4+Wm/16×RH,×22.4 Vs≥ (7)竖炉的热损失为 0.3-0.3XcH +XH Xco2-XH2o (28) (30) QL=（Q.in+Qe）×xL 式中，x为热损失率. (2)根据热平衡，即满足炉顶煤气的温度，计算 1.3竖炉物料平衡热平衡模型 所需要的还原煤气量.根据热收入等于热支出，即 根据物料守恒和热量守恒，建立了竖炉物料平 Qa,in（1-xL）=vapour+Q.+Qnin+Qas,aut 衡热平衡模型，考察同时满足还原和供热所需要的 (31) 还原煤气量 整理得到满足供热所需要的还原煤气量为 +-Vcoz.Hco-Vzo..Huz Vcoz.Hco+(Vngo.+Vgo.Hngo ∑X,H,×(1-x)-∑X,H i为C0、C02、H2、H0和CH· (32) 热平衡所需气量是还原煤气量的限制环节 2 结果与讨论 表4是计算所得的传统竖炉热平衡表.为同时 2.1传统竖炉 满足还原和供热的需要，竖炉中不得不通入大量煤 为保证竖炉内还原反应的顺利进行，需要保证 气，耗能明显，数值为2566116k!.炉顶煤气显热占 还原反应所需还原势和炉顶煤气温度.本节以美国 热支出比例最大，为44.58%. 俄勒冈州波特兰市GILMORE厂的MIDREX竖炉为 表4传统竖炉热平衡（每吨直接还原铁） 模拟对象，选取如表1所示的典型操作条件回.还 Table 4 Heat balance of the traditional shaft furnace (per ton of direct 原煤气成分和矿石成分如表2和表3所示.计 iron) 算以生产1t直接还原铁为基准. 条目 参数 数值k」 比例/% 表1典型操作条件 还原煤气显热 2566115 100.00 热收入 Table 1 Typical operation conditions 合计 2566115 100.00 矿石还原反应热 423434 16.50 还原煤气入炉顶煤气固体物料入海绵铁海绵铁金热损 炉料中水的蒸发热 34527 1.35 炉温度/℃温度/℃炉温度/℃温度℃属化率/%失率/% 炉顶煤气显热 1144087 905 350 子 44.58 85093 15 热支出 固相炉料显热 579150 22.57 热损失 384917 15.00 表2还原煤气成分（体积分数） Table 2 Composition of the reducing gas 免 合计 2566115 100.00 H2 CO H20 C02 CH 2.2上部吹氧竖炉 52.58 29.97 4.65 4.80 8.00 选取典型操作条件，在还原煤气量为1404.67m3 表3矿旷石成分（质量分数） 的条件下，通过热平衡计算需要的吹氧量为20.32 Table 3 Composition of the iron ore % m3,计算吹氧竖炉炉顶煤气成分：在还原煤气量为1 TFe FeO Mgo Si02 H20其他 896.78m的条件下，计算传统竖炉炉顶煤气成分， 66.97 0.131.240.141.691.00 0.27 结果如表5所示. 由于热平衡需气量大于还原需气量，造成传统 计算所得到的每吨直接还原铁还原需气量和热 竖炉炉顶还原势较高，为1.38，每吨直接还原铁的 平衡需气量分别为1404.67m3和1896.78m3,所以 排碳量为29171.46mol.虽然含铁原料的还原过程

第 6 期 刘炳南等: 基于煤气化学能最大化利用的上部吹氧竖炉静态模型 ( 4) 炉料中水的蒸发热为 Qvapour = WoreXH2O，ore /18 × 44 225. ( 25) ( 5) 炉顶煤气显热为 Qgas，out = ∑i Vgas，outYiHi， i 为 CO、CO2、H2、H2O 和 CH4 ． ( 26) ( 6) 固相炉料显热为 Qburden = WFeHFe + WFeOHFeO + WgangueHgangue ． ( 27) 式中，HFe、HFeO和 Hgangue分别为 Fe、FeO 和脉石的热焓． ( 7) 竖炉的热损失为 QL = ( Qgas，in + Qc ) × xL ． ( 28) 式中，xL 为热损失率． 1. 3 竖炉物料平衡热平衡模型 根据物料守恒和热量守恒，建立了竖炉物料平 衡热平衡模型，考察同时满足还原和供热所需要的 还原煤气量． ( 1) 从还原角度出发，FeO 到 Fe 的还原是炉内 还原所需气量的限制环节，而 FeO 还原到金属铁时 煤气利用率最高只有 30%［8］． 根据物料平衡，即满 足 FeO 到 Fe 反应所需的还原势，计算所需要的还 原煤气量为 Vgas，rXCO2 + Vgas，rXH2O + VCO2，r + VH2O，r Vgas，r － Vgas，rXCH4 ≤0. 3，( 29) Vgas，r≥ WO2 /16 × RCO × 22. 4 + WO2 /16 × RH2 × 22. 4 0. 3 － 0. 3XCH4 + XH2 － XCO2 － XH2O ． ( 30) ( 2) 根据热平衡，即满足炉顶煤气的温度，计算 所需要的还原煤气量． 根据热收入等于热支出，即 Qgas，in ( 1 － xL ) = Qvapour + Qr + Qburden + Qgas，out ． ( 31) 整理得到满足供热所需要的还原煤气量为 Vgas，r = Qvapour + Qr + Qburden － VCO2，rHCO － VH2O，rHH2 + VCO2，rHCO2 + ( VH2O，r + VH2O，shaft ) HH2O ∑i XiHi × ( 1 － xL ) － ∑i XiHi ， i 为 CO、CO2、H2、H2O 和 CH4 ． ( 32) 2 结果与讨论 2. 1 传统竖炉 为保证竖炉内还原反应的顺利进行，需要保证 还原反应所需还原势和炉顶煤气温度． 本节以美国 俄勒冈州波特兰市 GILMORE 厂的 MIDREX 竖炉为 模拟对象，选取如表 1 所示的典型操作条件［9］． 还 原煤气成分和矿石成分如表 2 和表 3 所示［10--11］． 计 算以生产 1 t 直接还原铁为基准． 表 1 典型操作条件 Table 1 Typical operation conditions 还原煤气入 炉温度/℃ 炉顶煤气 温度/℃ 固体物料入 炉温度/℃ 海绵铁 温度/℃ 海绵铁金 属化率/% 热损 失率/% 905 350 25 850 93 15 表 2 还原煤气成分( 体积分数) Table 2 Composition of the reducing gas % H2 CO H2O CO2 CH4 52. 58 29. 97 4. 65 4. 80 8. 00 表 3 矿石成分( 质量分数) Table 3 Composition of the iron ore % TFe FeO CaO MgO SiO2 H2O 其他 66. 97 0. 13 1. 24 0. 14 1. 69 1. 00 0. 27 计算所得到的每吨直接还原铁还原需气量和热 平衡需气量分别为 1 404. 67 m3 和 1 896. 78 m3 ，所以 热平衡所需气量是还原煤气量的限制环节． 表 4 是计算所得的传统竖炉热平衡表． 为同时 满足还原和供热的需要，竖炉中不得不通入大量煤 气，耗能明显，数值为 2 566 116 kJ． 炉顶煤气显热占 热支出比例最大，为 44. 58% ． 表 4 传统竖炉热平衡( 每吨直接还原铁) Table 4 Heat balance of the traditional shaft furnace ( per ton of direct iron) 条目 参数 数值/kJ 比例/% 热收入 还原煤气显热 2 566 115 100. 00 合计 2 566 115 100. 00 矿石还原反应热 423 434 16. 50 炉料中水的蒸发热 34 527 1. 35 热支出 炉顶煤气显热 1 144 087 44. 58 固相炉料显热 579 150 22. 57 热损失 384 917 15. 00 合计 2 566 115 100. 00 2. 2 上部吹氧竖炉 选取典型操作条件，在还原煤气量为 1 404. 67 m3 的条件下，通过热平衡计算需要的吹氧量为 20. 32 m3 ，计算吹氧竖炉炉顶煤气成分; 在还原煤气量为 1 896. 78 m3 的条件下，计算传统竖炉炉顶煤气成分， 结果如表 5 所示． 由于热平衡需气量大于还原需气量，造成传统 竖炉炉顶还原势较高，为 1. 38，每吨直接还原铁的 排碳量为 29 171. 46 mol． 虽然含铁原料的还原过程 ·693·

·694· 北京科技大学学报 第34卷 表5炉顶煤气成分（体积分数） 煤气需要量，同时也降低了煤气出口的还原势，煤气 Table 5 Composition of the top gas % 出口还原势由1.38降至0.56.排碳量为21515.28 竖炉 H, C0H20C02 mol,较传统竖炉减少26.25%. 传统竖炉34.02 19.39 23.6015.06 7.93 表6是计算所得的上部吹氧竖炉热平衡分析 吹氧竖炉 21.00 11.97 36.98 22.34 7.71 表.上部吹氧竖炉由于降低了还原煤气量，耗能大 中，气体的物质的量不变，但由于物料水分的蒸发， 量减少，数值为2064115kJ,耗能较传统竖炉减少 气体总体积增加，所以CH,的体积分数略有减少. 19.56%.炉顶煤气显热占热支出比例为34.76%. 吹氧竖炉通入0，后，通过部分煤气的二次燃烧 竖炉上部部分煤气进行二次燃烧提供热量，占热收 提供热量，打破只依赖煤气物理热的局限，从而降低 入的22.84%. 表6竖炉热平衡（每吨直接还原铁） Table6 Heat balance of the shaft fumnace(per ton of direct iron) 热收入 数值kJ 比例/% 热支出 数值kJ 比例/% 还原煤气显热 1592752 77.16 矿石还原反应热 423434 20.51 C0燃烧反应热 130565 6.33 炉料中水的蒸发热 34528 1.67 H2燃烧反应热 268056 12.99 炉顶煤气显热 717386 34.76 CH4燃烧反应热 72742 3.52 固相炉料显热 579150 28.06 热损失 309617 15.00 合计 2064115 100.00 合计 2064115 100.00 (黄希枯.钢铁治金原理.北京：治金工业出版社，2002) 3 结论 4]Valipour M S,Motamed Hashemi M Y,Saboohi Y.Mathematical (1)传统竖炉热平衡所需气量是还原煤气量的 modeling of the reaction in an iron ore pellet using a mixture of hy- drogen,water vapor,carbon monoxide and carbon dioxide:an iso- 限制环节，还原煤量为1896.78m3,出口煤气具有较 thermal study.Adv Poicder Technol,2006,17 (3):277 高还原势，竖炉内煤气没有高效利用，造成排碳量 5] Xu H.Numerical Simulation of COREX Reduction Shaft Furnace 大，能耗高，其中炉顶煤气显热占热支出的比例 and Carbon-based Packed Bed for Gas Reforming [Dissertation]. 最大 Shenyang:Northeastern University,2008 (徐辉.COREX预还原竖炉及碳基填充床的数值模拟[学位 (2)上部吹氧竖炉通过煤气的二次燃烧提供热 论文].沈阳：东北大学，2008) 量，打破只依赖煤气物理热的局限，从而降低煤气需 6 Wang C.COREX Process Model and Mathematical and Physical 要量，同时也降低了煤气出口还原势.计算得到的 Simulation of Melter Gasifier [Dissertation].Shenyang:North- 还原煤气量为1404.67m3,吹氧量为20.32m3,煤气 eastemn University,2008 出口还原势由1.38降至0.56，排碳量较传统竖炉 (王臣.COREX工艺模型及熔化气化炉数学物理模拟[学位 论文].沈阳：东北大学，2008) 减少26.25%. ] Qu Y X.Development of Static Model of COREX Process and (3)上部吹氧竖炉耗能较传统竖炉减少 Zoned-Simulation of Melter Gasifier [Dissertation].Shenyang: 19.56%.炉顶煤气显热占热支出比例为34.76%. Northeastern University,2008 竖炉上部部分煤气进行二次燃烧提供热量，占热收 (曲迎霞.COREX工艺整体及熔化气化炉区域静态模型开发 入的22.84% [学位论文].沈阳：东北大学，2008) 8] Yang TJ,Huang D B,Kong LT.Smelting Reduction.Beijing: 参考文献 Metallurgical Industry Press,1998 (杨天钧，黄典冰，孔令坛.熔融还原.北京：治金工业出版社， 1]Wang X L.Metallurgy of Iron and Steel:Ironmaking.Beijing: 1998) Metallurgical Industry Press,2002 9] Parisi D R,Laborde M A.Modeling of counter current moving bed (王筱留.钢铁治金学：炼铁部分.北京：治金工业出版社， gas-solid reactor used in direct reduction of iron ore.Chem Eng J, 2002) 2004,104(13):35 22]Kubaschewski O,Alcock C B.Metallurgical Thermochemistry [0]Valipour M S,Saboohi Y.Numerical investigation of nonisother- Beijing:Metallurgical Industry Press,1985 mal reduction of hematite using syngas:the shaft scale study. (库巴谢夫斯基0，奥尔考克CB.冶金热化学.北京：治金工 Modell Simul Mater Sci Eng,2007,15(5):487 业出版社，1985) [11]Rao YK,Pichestapong P.Modelling of the MIDREX direct-re- B]Huang X H.Principles of Steel Metallurgy.Beijing:Metallurgical duction iron making process:mass transfer and virtual equilibrium Industry Press,2002 at steady state//XVh CMMI Congress.Johannesburg,1994:81

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 表 5 炉顶煤气成分( 体积分数) Table 5 Composition of the top gas % 竖炉 H2 CO H2O CO2 CH4 传统竖炉 34. 02 19. 39 23. 60 15. 06 7. 93 吹氧竖炉 21. 00 11. 97 36. 98 22. 34 7. 71 中，气体的物质的量不变，但由于物料水分的蒸发， 气体总体积增加，所以 CH4 的体积分数略有减少． 吹氧竖炉通入 O2后，通过部分煤气的二次燃烧 提供热量，打破只依赖煤气物理热的局限，从而降低 煤气需要量，同时也降低了煤气出口的还原势，煤气 出口还原势由 1. 38 降至 0. 56． 排碳量为 21 515. 28 mol，较传统竖炉减少 26. 25% ． 表 6 是计算所得的上部吹氧竖炉热平衡分析 表． 上部吹氧竖炉由于降低了还原煤气量，耗能大 量减少，数值为 2 064 115 kJ，耗能较传统竖炉减少 19. 56% ． 炉顶煤气显热占热支出比例为 34. 76% ． 竖炉上部部分煤气进行二次燃烧提供热量，占热收 入的 22. 84% ． 表 6 竖炉热平衡( 每吨直接还原铁) Table 6 Heat balance of the shaft furnace( per ton of direct iron) 热收入 数值/kJ 比例/% 热支出 数值/kJ 比例/% 还原煤气显热 1 592 752 77. 16 矿石还原反应热 423 434 20. 51 CO 燃烧反应热 130 565 6. 33 炉料中水的蒸发热 34 528 1. 67 H2 燃烧反应热 268 056 12. 99 炉顶煤气显热 717 386 34. 76 CH4 燃烧反应热 72 742 3. 52 固相炉料显热 579 150 28. 06 热损失 309 617 15. 00 合计 2 064 115 100. 00 合计 2 064 115 100. 00 3 结论 ( 1) 传统竖炉热平衡所需气量是还原煤气量的 限制环节，还原煤量为 1896. 78 m3 ，出口煤气具有较 高还原势，竖炉内煤气没有高效利用，造成排碳量 大，能 耗 高，其中炉顶煤气显热占热支出的比例 最大． ( 2) 上部吹氧竖炉通过煤气的二次燃烧提供热 量，打破只依赖煤气物理热的局限，从而降低煤气需 要量，同时也降低了煤气出口还原势． 计算得到的 还原煤气量为 1 404. 67 m3 ，吹氧量为 20. 32 m3 ，煤气 出口还原势由 1. 38 降至 0. 56，排碳量较传统竖炉 减少 26. 25% ． ( 3 ) 上部吹氧竖炉耗能较传统竖炉减少 19. 56% ． 炉顶煤气显热占热支出比例为 34. 76% ． 竖炉上部部分煤气进行二次燃烧提供热量，占热收 入的 22. 84% ． 参 考 文 献 ［1］ Wang X L． Metallurgy of Iron and Steel: Ironmaking． Beijing: Metallurgical Industry Press，2002 ( 王筱留． 钢铁冶金学: 炼铁部分． 北京: 冶金工业出版社， 2002) ［2］ Kubaschewski O，Alcock C B． Metallurgical Thermochemistry． Beijing: Metallurgical Industry Press，1985 ( 库巴谢夫斯基 O，奥尔考克 C B． 冶金热化学． 北京: 冶金工 业出版社，1985) ［3］ Huang X H． Principles of Steel Metallurgy． Beijing: Metallurgical Industry Press，2002 ( 黄希祜． 钢铁冶金原理． 北京: 冶金工业出版社，2002) ［4］ Valipour M S，Motamed Hashemi M Y，Saboohi Y． Mathematical modeling of the reaction in an iron ore pellet using a mixture of hy￾drogen，water vapor，carbon monoxide and carbon dioxide: an iso￾thermal study． Adv Powder Technol，2006，17( 3) : 277 ［5］ Xu H． Numerical Simulation of COREX Reduction Shaft Furnace and Carbon-based Packed Bed for Gas Reforming ［Dissertation］． Shenyang: Northeastern University，2008 ( 徐辉． COREX 预还原竖炉及碳基填充床的数值模拟［学位 论文］． 沈阳: 东北大学，2008) ［6］ Wang C． COREX Process Model and Mathematical and Physical Simulation of Melter Gasifier ［Dissertation］． Shenyang: North￾eastern University，2008 ( 王臣． COREX 工艺模型及熔化气化炉数学物理模拟［学位 论文］． 沈阳: 东北大学，2008) ［7］ Qu Y X． Development of Static Model of COREX Process and Zoned-Simulation of Melter Gasifier ［Dissertation］． Shenyang: Northeastern University，2008 ( 曲迎霞． COREX 工艺整体及熔化气化炉区域静态模型开发 ［学位论文］． 沈阳: 东北大学，2008) ［8］ Yang T J，Huang D B，Kong L T． Smelting Reduction． Beijing: Metallurgical Industry Press，1998 ( 杨天钧，黄典冰，孔令坛． 熔融还原． 北京: 冶金工业出版社， 1998) ［9］ Parisi D R，Laborde M A． Modeling of counter current moving bed gas-solid reactor used in direct reduction of iron ore． Chem Eng J， 2004，104( 1-3) : 35 ［10］ Valipour M S，Saboohi Y． Numerical investigation of nonisother￾mal reduction of hematite using syngas: the shaft scale study． Modell Simul Mater Sci Eng，2007，15( 5) : 487 ［11］ Rao Y K，Pichestapong P． Modelling of the MIDREX direct-re￾duction iron making process: mass transfer and virtual equilibrium at steady state / /XVth CMMI Congress． Johannesburg，1994: 81 ·694·