氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 薛庆国杨帆张欣欣王静松左海滨姜泽毅佘雪峰王广 Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology Beijing XUE Qing-guo,YANG Fan,ZHANG Xin-xin,WANG Jing-song.ZUO Hai-bin,JIANG Ze-yi,SHE Xue-feng.WANG Guang 引用本文： 薛庆国，杨帆，张欣欣，王静松，左海滨，姜泽毅，佘雪峰，王广.氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展.工 程科学学报，2021,4312：1579-1591.doi10.13374.issn2095-9389.2021.09.22.004 XUE Qing-guo,YANG Fan,ZHANG Xin-xin,WANG Jing-song.ZUO Hai-bin,JIANG Ze-yi,SHE Xue-feng.WANG Guang. Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology BeijingJ].Chinese Journal of Engineering,2021,43(12:1579-1591.doi:10.13374fj.issn2095-9389.2021.09.22.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2021.09.22.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟 Numerical simulation of flue gas desulfurization by horizontal spray tower 工程科学学报.2018,40(1：17htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.003 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报.2018.40(4：389 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.04.001 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles 工程科学学报.2018,40(6：754 https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.06.014 高炉休风时供氧管网压力对氧气调度的影响 Effects of oxygen pipe-network pressure on the oxygen scheduling during blast furnace blow-down 工程科学学报.2017,392：283 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.02.017 CO,作为RH提升气的冶金反应行为研究 Metallurgical reaction behavior of CO2 as RH lifting gas 工程科学学报.2020,42(2：203 https:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.06.30.001 电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟 Numerical simulation of a long arc plasma in an electric arc fumace 工程科学学报.2020,42(S:60 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.04.08.s04

氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 薛庆国 杨帆 张欣欣 王静松 左海滨 姜泽毅 佘雪峰 王广 Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology Beijing XUE Qing-guo, YANG Fan, ZHANG Xin-xin, WANG Jing-song, ZUO Hai-bin, JIANG Ze-yi, SHE Xue-feng, WANG Guang 引用本文: 薛庆国, 杨帆, 张欣欣, 王静松, 左海滨, 姜泽毅, 佘雪峰, 王广. 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展[J]. 工 程科学学报, 2021, 43(12): 1579-1591. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004 XUE Qing-guo, YANG Fan, ZHANG Xin-xin, WANG Jing-song, ZUO Hai-bin, JIANG Ze-yi, SHE Xue-feng, WANG Guang. Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology Beijing[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1579-1591. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟 Numerical simulation of flue gas desulfurization by horizontal spray tower 工程科学学报. 2018, 40(1): 17 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.003 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报. 2018, 40(4): 389 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.001 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles 工程科学学报. 2018, 40(6): 754 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.014 高炉休风时供氧管网压力对氧气调度的影响 Effects of oxygen pipe-network pressure on the oxygen scheduling during blast furnace blow-down 工程科学学报. 2017, 39(2): 283 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.017 CO2作为RH提升气的冶金反应行为研究 Metallurgical reaction behavior of CO2 as RH lifting gas 工程科学学报. 2020, 42(2): 203 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.30.001 电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟 Numerical simulation of a long arc plasma in an electric arc furnace 工程科学学报. 2020, 42(S): 60 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.08.s04

工程科学学报.第43卷，第12期：1579-1591.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1579-1591,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004;http://cje.ustb.edu.cn 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 薛庆国四，杨帆，张欣欣，王静松⑧，左海滨，姜泽毅，佘雪峰，王广 北京科技大学钢铁治金国家重点实验室，北京100083 区通信作者，薛庆国，E-mail:xueqingguo@ustb.edu.cn;王静松，E-mai:wangjingsong(@ustb.edu.cn 摘要首先介绍了氧气高炉的发展历程，早期的研究工作主要着眼于解决由于氧气代替空气鼓风而引起的“上冷下热”问 题，并总结了各国研究者提出的氧气高炉流程及其主要特点，随后系统阐述了北京科技大学科研人员在氧气高炉工艺基础 研究与工程技术开发方面所取得的主要进展.这些研究包括氧气高炉流程设计，含铁炉料还原与软熔，氧气鼓风及循环煤气 喷吹条件下的煤粉燃烧，循环煤气加热过程中的物理化学变化等炉内反应与变化，以及在此基础上开展的回旋区及全炉数值 模拟研究，为氧气高炉的工程化实施奠定理论基础.最后对氧气高炉的碳素流及节碳潜力进行了分析，并提出富氢碳氢循环 氧气高炉将成为炼铁低碳化的重要发展方向. 关键词CO,减排；氧气高炉：低碳炼铁：煤气循环：数值模拟：富氢碳氢循环 分类号TF538.1 Development of an oxygen blast furnace and its research progress in University of Science and Technology Beijing XUE Oing-guo,YANG Fan,ZHANG Xin-xin,WANG Jing-song,ZUO Hai-bin,JIANG Ze-yi,SHE Xue-feng,WANG Guang State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,XUE Qing-guo,E-mail:xueqingguo@ustb.edu.cn,WANG Jing-song.E-mial:wangjingsong@ustb.edu.cn ABSTRACT An oxygen blast furnace (OBF)has the advantages of high productivity,high coal injection,low fuel ratio,high gas calorific value,and low carbon emissions,the OBF process is one of the most likely low-carbon ironmaking processes to achieve large- scale application.This paper first introduced the development history of an OBF.The early research work mainly focused on solving the problem of"upper cooling and lower overheating"caused by oxygen instead of air blasting and summarized the OBF process and its main characteristics proposed by researchers in various countries.Then,the progress made by the researchers of the University of Science and Technology Beijing in the research and development of the OBF process was systematically summarized.The studies include the process design of an OBF,the reduction and soft melting of iron-bearing furnace charge,pulverized coal combustion under the conditions of oxygen blast and circulating gas injection,the physical and chemical behavior of recirculating gas during the heating process,as well as the numerical simulation of the raceway and the whole furnace,which gives a theoretical foundation for the engineering implementation of the OBF.Finally,the carbon flow and carbon saving potential of the OBF were analyzed.It is proposed that a hydrogen rich carbon circulating oxygen blast furnace will be an important development in the direction of low-carbon ironmaking. KEY WORDS CO,reduction emission;oxygen blast furnace;low-carbon ironmaking;gas recycling;numerical simulation;hydrogen- rich and C-H recycling 收稿日期：2021-09-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1960205)

氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 薛庆国苣，杨    帆，张欣欣，王静松苣，左海滨，姜泽毅，佘雪峰，王    广 北京科技大学钢铁冶金国家重点实验室, 北京 100083 苣通信作者， 薛庆国, E-mail：xueqingguo@ustb.edu.cn; 王静松, E-mail: wangjingsong@ustb.edu.cn 摘    要    首先介绍了氧气高炉的发展历程，早期的研究工作主要着眼于解决由于氧气代替空气鼓风而引起的“上冷下热”问 题，并总结了各国研究者提出的氧气高炉流程及其主要特点. 随后系统阐述了北京科技大学科研人员在氧气高炉工艺基础 研究与工程技术开发方面所取得的主要进展. 这些研究包括氧气高炉流程设计，含铁炉料还原与软熔，氧气鼓风及循环煤气 喷吹条件下的煤粉燃烧，循环煤气加热过程中的物理化学变化等炉内反应与变化，以及在此基础上开展的回旋区及全炉数值 模拟研究，为氧气高炉的工程化实施奠定理论基础. 最后对氧气高炉的碳素流及节碳潜力进行了分析，并提出富氢碳氢循环 氧气高炉将成为炼铁低碳化的重要发展方向. 关键词    CO2 减排；氧气高炉；低碳炼铁；煤气循环；数值模拟；富氢碳氢循环 分类号    TF538.1 Development  of  an  oxygen  blast  furnace  and  its  research  progress  in  University  of Science and Technology Beijing XUE Qing-guo苣 ，YANG Fan，ZHANG Xin-xin，WANG Jing-song苣 ，ZUO Hai-bin，JIANG Ze-yi，SHE Xue-feng，WANG Guang State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, XUE Qing-guo, E-mail: xueqingguo@ustb.edu.cn; WANG Jing-song, E-mial: wangjingsong@ustb.edu.cn ABSTRACT    An  oxygen  blast  furnace  (OBF)  has  the  advantages  of  high  productivity,  high  coal  injection,  low  fuel  ratio,  high  gas calorific value, and low carbon emissions; the OBF process is one of the most likely low-carbon ironmaking processes to achieve large￾scale application. This paper first introduced the development history of an OBF. The early research work mainly focused on solving the problem of “upper cooling and lower overheating” caused by oxygen instead of air blasting and summarized the OBF process and its main  characteristics  proposed  by  researchers  in  various  countries.  Then,  the  progress  made  by  the  researchers  of  the  University  of Science  and  Technology  Beijing  in  the  research  and  development  of  the  OBF  process  was  systematically  summarized.  The  studies include the process design of an OBF, the reduction and soft melting of iron-bearing furnace charge, pulverized coal combustion under the conditions of oxygen blast and circulating gas injection, the physical and chemical behavior of recirculating gas during the heating process,  as  well  as  the  numerical  simulation  of  the  raceway  and  the  whole  furnace,  which  gives  a  theoretical  foundation  for  the engineering implementation of the OBF. Finally, the carbon flow and carbon saving potential of the OBF were analyzed. It is proposed that  a  hydrogen  rich  carbon  circulating  oxygen  blast  furnace  will  be  an  important  development  in  the  direction  of  low-carbon ironmaking. KEY WORDS    CO2 reduction emission；oxygen blast furnace；low-carbon ironmaking；gas recycling；numerical simulation；hydrogen￾rich and C−H recycling 收稿日期: 2021−09−22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1960205） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1579−1591，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1579−1591, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.22.004; http://cje.ustb.edu.cn

1580 工程科学学报，第43卷，第12期 在应对全球气候变化和能源转型的背景下，作 提高：强化了高炉冶炼，生产率可提高1/3~1倍 为碳排放大户的钢铁行业一直面临着碳减排的巨 氧气高炉除了上述优势外，还有以下一些关键问题 大压力，因此低碳冶金技术的开发应用受到高度重 需要解决，主要集中在以下几个方面：(1)理论燃烧 视.钢铁行业是我国国民经济的支柱性产业，其 温度提高，炉缸煤气量减少，导致炉缸温度过高.(2) C0,排放约占我国排放总量的16%.在长流程钢铁 炉腹煤气量减少导致炉料不足.(3)低焦比冶炼对 生产中，约90%的能耗和CO2排放集中在炼铁工 焦炭质量提出新的要求.(4)如何提高有循环煤气 序（包括烧结、焦化、高炉），因此降低高炉炼铁过 条件下的煤粉燃烬率.（⑤）氧气鼓风与循环煤气喷 程的能源消耗和碳排放是实现钢铁工业低碳发展 吹条件下的回旋区调控.(6)氧气鼓风与循环煤气 的主要途径-为此，欧洲、日本等钢铁产业发达 喷吹条件下的炉内流场、温度场优化.(7)氧气高炉 地区和国家均实施了钢铁低碳发展研究计划，重点 对钢铁企业能源平衡及碳排放的影响. 开发低碳炼铁技术，其中ULCOS(Ultra low CO2 下面将从氧气高炉发展历程、流程解析、炉内 steelmaking)计划中的炉顶煤气循环-氧气高炉 反应变化、回旋区多相燃烧、炼铁系统碳素流变化 (TGR-OBF)炼铁技术受到了业界的普遍关注PIU 以及系统节能减排等儿个方面，对氧气高炉的发展 TGR-OBF是用氧气鼓风代替传统的预热空气鼓 历程以及北京科技大学在相关领域的研究工作进展 风，并将炉顶煤气脱除CO2后返回利用的高炉炼铁 进行总结，以期对今后的低碳炼铁研究提供参考. 工艺.在TGR-OBF中，由于炉顶煤气的循环利用 1 氧气高炉发展历程 使C0的分压提高，煤气还原势增强，强化了含铁炉 料的还原，直接还原度降低，使炼铁生产效率提高， 1.1氧气高炉工艺的提出与典型特征 燃料消耗降低，碳排放减少.该工艺具有以下特点2-刀 20世纪70年代，氧气高炉由德国Wenzel等 (1)发展间接还原，降低直接还原：脱除CO2后的炉 首先提出，理论分析与实验研究发现，氧气高炉存 顶煤气具有较高浓度的还原性组分(C0和H2),可 在两方面的问题：(1)由于采用纯氧鼓风，炉内煤 以提高炉内还原势，发展间接还原，降低燃料比.(2) 气量减少，造成炉身炉料加热不足，称之为“上 喷煤量增大，焦比降低：由于采用氧气鼓风，可以加 凉”；(2)由于理论燃烧温度提高、煤气量减少及 速煤粉燃烧，有利于提高喷煤量，降低焦比.(3) 直接还原度降低，导致炉缸温度过高，称之为 CO2分离成本降低：由于采用氧气鼓风，炉顶煤气 “下热”.随后国内外学者先后提出了全氧高炉 中含氮量大幅度降低，CO2浓度提高，CO2分离成 (FOBF)流程、氧-煤-助溶剂(OCF)流程、Fink流 本降低.(4)污染物排放减少：TGR-OBF工艺对焦 程、NKK流程等多种氧气高炉工艺流程，本文按 炭需求量降低，减少了焦化工序产生的H2S、SO2、 提出时间及工艺特点对氧气高炉工艺进行分类汇 NOx、HCN等对环境的污染.（⑤）煤气热值上升：炉顶 总（如表1）.表中所列出的典型氧气高炉流程主要 煤气中的C0和H2含量提高，其热值达到7000kJm3 区别在于采用不同的技术措施来解决氧气高炉存 以上，比传统高炉煤气热值大幅度提高.(6)生产率 在的“上凉”和“下热”等问题 表1不同氧气高炉流程工艺特点 Table 1 Process characteristics of various oxygen blast furnace processes Time Process name Blowing position Spray-blown objects Process features 1978 Finkli9] Hearth,bosh Oxygen,pulverized coal (1)Top gas removes CO,without preheating; top gas (2)Low fuel ratio and 1/2 increase in productivity Hearth:oxygen,pulverized 1985 FOBFPO Hearth,furnace shaft (1)Top gas removes COz,and preheating to 1200 K,Supplement heat; coal,top gas Furnace shaft:recycling gas (2)Part of the top gas does not remove CO2 and is used as carrier gas. Hearth:oxygen,pulverized (1)Preheating circulating gas is injected into the middle of the furnace shaft 1987 NKKI3I Hearth,furnace shaft coal,top gas to supplement the fumace shaft heat; Furnace shaft:recycling gas (2)Considerable coal injection and high productivity 1987 TulaF四 Hearth (1)Top gas removes CO2,and preheating Oxygen,top gas (2)Coke ratio decreases,and the output increases by 20%-30%. 1992 BOBF2四 (1)No circulating gas; Hearth Coal powder,oxygen (2)The oxygen content of the blast fluctuates between 40%and 90%. (1)No COz removal and no heating, 1994 OCFP3I Hearth Oxygen,pulverized coal,top gas,solvents (2)Inject a large amount of pulverized coal and an appropriate amount of flux

在应对全球气候变化和能源转型的背景下，作 为碳排放大户的钢铁行业一直面临着碳减排的巨 大压力，因此低碳冶金技术的开发应用受到高度重 视. 钢铁行业是我国国民经济的支柱性产业，其 CO2 排放约占我国排放总量的 16%. 在长流程钢铁 生产中，约 90% 的能耗和 CO2 排放集中在炼铁工 序（包括烧结、焦化、高炉），因此降低高炉炼铁过 程的能源消耗和碳排放是实现钢铁工业低碳发展 的主要途径[1−8] . 为此，欧洲、日本等钢铁产业发达 地区和国家均实施了钢铁低碳发展研究计划，重点 开发低碳炼铁技术 ，其中 ULCOS  (Ultra  low  CO2 steelmaking) 计划中的炉顶煤气循环 −氧气高炉 （TGR−OBF）炼铁技术受到了业界的普遍关注[9−11] . TGR−OBF 是用氧气鼓风代替传统的预热空气鼓 风，并将炉顶煤气脱除 CO2 后返回利用的高炉炼铁 工艺. 在 TGR−OBF 中，由于炉顶煤气的循环利用 使 CO 的分压提高，煤气还原势增强，强化了含铁炉 料的还原，直接还原度降低，使炼铁生产效率提高， 燃料消耗降低，碳排放减少. 该工艺具有以下特点[12−17] ： (1) 发展间接还原，降低直接还原：脱除 CO2 后的炉 顶煤气具有较高浓度的还原性组分（CO 和 H2），可 以提高炉内还原势，发展间接还原，降低燃料比. (2) 喷煤量增大，焦比降低：由于采用氧气鼓风，可以加 速煤粉燃烧，有利于提高喷煤量，降低焦比. (3) CO2 分离成本降低：由于采用氧气鼓风，炉顶煤气 中含氮量大幅度降低，CO2 浓度提高，CO2 分离成 本降低. (4) 污染物排放减少：TGR−OBF 工艺对焦 炭需求量降低，减少了焦化工序产生的 H2S、SO2、 NOx、HCN 等对环境的污染. (5) 煤气热值上升：炉顶 煤气中的 CO 和 H2 含量提高，其热值达到 7000 kJ·m−3 以上，比传统高炉煤气热值大幅度提高. (6) 生产率 提高：强化了高炉冶炼，生产率可提高 1/3～1 倍. 氧气高炉除了上述优势外，还有以下一些关键问题 需要解决，主要集中在以下几个方面：(1) 理论燃烧 温度提高，炉缸煤气量减少，导致炉缸温度过高. (2) 炉腹煤气量减少导致炉料不足. (3) 低焦比冶炼对 焦炭质量提出新的要求. (4) 如何提高有循环煤气 条件下的煤粉燃烬率. (5) 氧气鼓风与循环煤气喷 吹条件下的回旋区调控. (6) 氧气鼓风与循环煤气 喷吹条件下的炉内流场、温度场优化. (7) 氧气高炉 对钢铁企业能源平衡及碳排放的影响. 下面将从氧气高炉发展历程、流程解析、炉内 反应变化、回旋区多相燃烧、炼铁系统碳素流变化 以及系统节能减排等几个方面，对氧气高炉的发展 历程以及北京科技大学在相关领域的研究工作进展 进行总结，以期对今后的低碳炼铁研究提供参考. 1    氧气高炉发展历程 1.1    氧气高炉工艺的提出与典型特征 20 世纪 70 年代，氧气高炉由德国 Wenzel 等[18] 首先提出，理论分析与实验研究发现，氧气高炉存 在两方面的问题：(1) 由于采用纯氧鼓风，炉内煤 气量减少，造成炉身炉料加热不足，称之为“上 凉”；(2) 由于理论燃烧温度提高、煤气量减少及 直接还原度降低 ，导致炉缸温度过高 ，称之为 “下热”. 随后国内外学者先后提出了全氧高炉 （FOBF）流程、氧−煤−助溶剂（OCF）流程、Fink 流 程、NKK 流程等多种氧气高炉工艺流程，本文按 提出时间及工艺特点对氧气高炉工艺进行分类汇 总（如表 1）. 表中所列出的典型氧气高炉流程主要 区别在于采用不同的技术措施来解决氧气高炉存 在的“上凉”和“下热”等问题. 表 1 不同氧气高炉流程工艺特点 Table 1   Process characteristics of various oxygen blast furnace processes Time Process name Blowing position Spray-blown objects Process features 1978 Fink[19] Hearth, bosh Oxygen, pulverized coal, top gas (1) Top gas removes CO2 without preheating; (2) Low fuel ratio and 1/2 increase in productivity. 1985 FOBF[20] Hearth, furnace shaft Hearth: oxygen, pulverized coal, top gas Furnace shaft: recycling gas (1) Top gas removes CO2 , and preheating to 1200 K, Supplement heat; (2) Part of the top gas does not remove CO2 and is used as carrier gas. 1987 NKK[13] Hearth, furnace shaft Hearth: oxygen, pulverized coal, top gas Furnace shaft: recycling gas (1) Preheating circulating gas is injected into the middle of the furnace shaft to supplement the furnace shaft heat; (2) Considerable coal injection and high productivity. 1987 Tula[21] Hearth Oxygen, top gas (1) Top gas removes CO2 , and preheating; (2) Coke ratio decreases, and the output increases by 20%–30%. 1992 BOBF[22] Hearth Coal powder, oxygen (1) No circulating gas; (2) The oxygen content of the blast fluctuates between 40% and 90%. 1994 OCF[23] Hearth Oxygen, pulverized coal, top gas, solvents (1) No CO2 removal and no heating; (2) Inject a large amount of pulverized coal and an appropriate amount of flux. · 1580 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

薛庆国等：氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 1581· 12实验性氧气高炉与氧气鼓风高炉炼铁工业实践 2氧气高炉在北京科技大学的主要研究进展 1.2.1日本NKK公司3.9m3实验性氧气高炉 日本NKK公司于1987年在3.9m3实验高炉上 北京科技大学早于1985年就已着手开展氧气 完成氧气高炉炼铁实验.结果表明：喷煤量最高可 高炉研究，研究范围涉及流程研究、炉内反应研 达每吨铁320kg(0.84kgm3O2(标况))，氧耗为每 究、全炉数值模拟研究、全流程碳素流变化及系 吨铁357m3(标况)，理论燃烧温度2839℃.生铁日 统节能减排研究，并开展了相应的工程技术开发. 产量由9.9t提高到20.0t,利用系数达到5.1tm3d, 2.1流程研究 每吨铁燃料比为647kg,高炉实现稳定生产，证明 流程确定与解析是氧气高炉研究最为重要的基 了氧气鼓风高炉炼铁工艺在技术上完全可行3，刘. 础工作，北京科技大学针对氧气高炉流程的研究工 1.2.2瑞典LKAB公司9m3实验性氧气高炉 作最早可以追溯到20世纪80年代.秦民生教授于 2004年，欧盟制定并实施了“超低CO2炼钢” 1985年提出了FOBF流程2,3)，如图1所示，该流程 项目(ULCOS计划)，该项目中高炉炉顶煤气循环- 通过炉缸及炉身同时喷吹炉顶煤气等技术措施解决 氧气高炉(TGR-OBF)是重点开发的工艺之一 “上凉”和“下热”问题.1994年，高征铠教授及其团 2007年，ULCOS项目组在瑞典LKAB的9m3实验 队提出OC℉氧气高炉工艺23,4-，如图2所示，采用 高炉进行了实验.在炉缸和炉身同时喷吹加热循 炉缸喷吹循环煤气解决“下热”问题.两种工艺为后 环煤气条件下，燃料比从基准期的每吨铁530kg 续科研工作者在氧气高炉工艺研究上指出了方向. 降低到400kg,碳输入从每吨铁470kg降低到 Top gas Output gas 350kg.实验结果显示每喷吹100m3C0+H2气体 Coke, iron ore 可以降低燃料比每吨铁17kg,炉顶煤气循环率达 03 D九Ist 到90%时，可以节碳24%，结合碳捕集与封存(CCS) 技术，C02排放最高可减少76%2s-2测 C02 1.2.3中国五矿营钢8m3实验性氧气高炉 2009年，北京钢铁研究总院与五矿营钢合作 Preheating gas 5 建立了一座8m3的氧气高炉，进行了国内第一次 氧气高炉工业实验.实验分三个阶段，在三个阶段 Circulating gas 中C0利用率分别为18.8%、22.3%和25.9%2四实 Slag, 02 Coal powder 验证明，氧气高炉可以实现大量喷煤，吨铁喷煤 molten iron 量最高可达到450kg.炉身喷吹预热的焦炉煤气 1-Blast furnace;2-Dust removal system;3-Pressurizing 以后，焦比和煤比大幅度下降，可以降低燃料消 device;4-Removal of CO,;5-Gas heating 耗.根据理论计算，炉身风口喷吹脱除CO2后的炉 图1FOBF氧气高炉工艺流程 顶煤气，可进一步提高间接还原度，燃料比大幅 Fig.1 FOBF oxygen blast furnace process flow 降低30-习 Top gas 2 Output gas 1.2.4前苏联RPA公司1033m3高炉氧气散风炼 Coke, iron ore 铁生产实践 0)3 h九Ist 前苏联RPA公司于1985~1990年间，在 Toulachermet工厂2号高炉（炉容1033m3)上开展 Circulating gas 了长时间的氧气鼓风喷吹热还原性气体的炼铁工 业实验.在1988年长达74d的实验期内，焦比降 低28.5%，最低可达每吨铁360~367kg,生产率提 高27.3%，日产铁最高达到1770吨.实验期鼓风氧 含量最高达到93%，氧耗为每吨铁251m3(标况)， 直接还原度由基准期的0.437降低到实验期的 Slag. O2 Coal Flux molten iron powder 0.08~0.19.在当时的生产条件下，实验无疑是取 1-Blast furnace;2-Dust removal system;3-Pressurizing device 得了成功，为氧气高炉操作提供了经验，也为今后 图2OCF氧气高炉工艺流程 氧气高炉技术的开发应用建立了信心 Fig.2 OCF oxygen blast fumace process flow

1.2    实验性氧气高炉与氧气鼓风高炉炼铁工业实践 1.2.1    日本 NKK 公司 3.9 m3 实验性氧气高炉 日本 NKK 公司于 1987 年在 3.9 m3 实验高炉上 完成氧气高炉炼铁实验. 结果表明：喷煤量最高可 达每吨铁 320 kg（0.84 kg·m−3 O2（标况）），氧耗为每 吨铁 357 m3 （标况），理论燃烧温度 2839 ℃. 生铁日 产量由 9.9 t 提高到 20.0 t，利用系数达到 5.1 t·m−3·d−1 ， 每吨铁燃料比为 647 kg，高炉实现稳定生产，证明 了氧气鼓风高炉炼铁工艺在技术上完全可行[13, 24] . 1.2.2    瑞典 LKAB 公司 9 m3 实验性氧气高炉 2004 年，欧盟制定并实施了“超低 CO2 炼钢” 项目（ULCOS 计划），该项目中高炉炉顶煤气循环− 氧气高炉 （ TGR−OBF）是重点开发的工艺之一 . 2007 年，ULCOS 项目组在瑞典 LKAB 的 9 m3 实验 高炉进行了实验. 在炉缸和炉身同时喷吹加热循 环煤气条件下，燃料比从基准期的每吨铁 530 kg 降 低 到 400  kg，碳输入从每吨 铁 470  kg 降低到 350 kg. 实验结果显示每喷吹 100 m3 CO+H2 气体 可以降低燃料比每吨铁 17 kg，炉顶煤气循环率达 到 90% 时，可以节碳 24%，结合碳捕集与封存（CCS） 技术，CO2 排放最高可减少 76% [25−28] . 1.2.3    中国五矿营钢 8 m3 实验性氧气高炉 2009 年，北京钢铁研究总院与五矿营钢合作 建立了一座 8 m3 的氧气高炉，进行了国内第一次 氧气高炉工业实验. 实验分三个阶段，在三个阶段 中 CO 利用率分别为 18.8%、22.3% 和 25.9% [29] . 实 验证明，氧气高炉可以实现大量喷煤，吨铁喷煤 量最高可达到 450 kg. 炉身喷吹预热的焦炉煤气 以后，焦比和煤比大幅度下降，可以降低燃料消 耗. 根据理论计算，炉身风口喷吹脱除 CO2 后的炉 顶煤气，可进一步提高间接还原度，燃料比大幅 降低[30−32] . 1.2.4    前苏联 RPA 公司 1033 m 3 高炉氧气鼓风炼 铁生产实践 前 苏 联 RPA 公 司 于 1985～ 1990 年 间 ， 在 Toulachermet 工厂 2 号高炉（炉容 1033 m 3 ）上开展 了长时间的氧气鼓风喷吹热还原性气体的炼铁工 业实验. 在 1988 年长达 74 d 的实验期内，焦比降 低 28.5%，最低可达每吨铁 360～367 kg，生产率提 高 27.3%，日产铁最高达到 1770 吨. 实验期鼓风氧 含量最高达到 93%，氧耗为每吨铁 251 m3 （标况）， 直接还原度由基准期 的 0.437 降低到实验期 的 0.08～0.19. 在当时的生产条件下，实验无疑是取 得了成功，为氧气高炉操作提供了经验，也为今后 氧气高炉技术的开发应用建立了信心[15] . 2    氧气高炉在北京科技大学的主要研究进展 北京科技大学早于 1985 年就已着手开展氧气 高炉研究，研究范围涉及流程研究、炉内反应研 究、全炉数值模拟研究、全流程碳素流变化及系 统节能减排研究，并开展了相应的工程技术开发. 2.1    流程研究 流程确定与解析是氧气高炉研究最为重要的基 础工作，北京科技大学针对氧气高炉流程的研究工 作最早可以追溯到 20 世纪 80 年代. 秦民生教授于 1985 年提出了 FOBF 流程[20,33] ，如图 1 所示，该流程 通过炉缸及炉身同时喷吹炉顶煤气等技术措施解决 “上凉”和“下热”问题. 1994 年，高征铠教授及其团 队提出 OCF 氧气高炉工艺[23, 34−35] ，如图 2 所示，采用 炉缸喷吹循环煤气解决“下热”问题. 两种工艺为后 续科研工作者在氧气高炉工艺研究上指出了方向. Top gas 2 Coke, iron ore Dust Preheating gas Circulating gas O2 Coal powder Slag, molten iron 3 4 5 3 Output gas CO2 1 1—Blast furnace; 2—Dust removal system; 3—Pressurizing device; 4—Removal of CO2 ; 5—Gas heating 图 1    FOBF 氧气高炉工艺流程 Fig.1    FOBF oxygen blast furnace process flow O2 Slag, molten iron Coal powder Flux 1—Blast furnace; 2—Dust removal system; 3—Pressurizing device 1 Dust 3 Circulating gas Top gas Output gas 2 Coke, iron ore 图 2    OCF 氧气高炉工艺流程 Fig.2    OCF oxygen blast furnace process flow 薛庆国等： 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 · 1581 ·

1582 工程科学学报，第43卷，第12期 秦民生等I建立了FOBF工艺高炉炼铁过程 率和低的燃料消耗.但有一点需要特别注意，由于 综合数学模型，全面解析了FOBF工艺的运行状 含铁炉料的还原速度大幅度提高，容易导致炉料 态.文献[36)]建立了氧气高炉能量转化模型，对氧 低温还原粉化的加剧5，在今后的氧气高炉操作 气高炉炉顶煤气热值、外供煤气量、喷煤量的影 中需要采取相应措施以减轻还原粉化所造成的负 响因素进行了模拟计算.此后，Zhang等B叨、韩毅 面影响， 华等B8-判、陈永星【oI以FOBF、OCF工艺为基础， 2.2.2含铁炉料的软熔 根据炉顶煤气是否脱除CO2、是否预热、采用一排 炉料软熔行为因是影响高炉操作的重要因素 还是两排风口喷吹为研究变量，对氧气高炉流程 而备受关注.软熔带的位置、形状和厚度对高炉 进行了系统对比研究.结果发现，采用炉缸和炉身 运行有着显著影响，它决定了高炉内还原介质和 两排风口喷吹加热到900℃的脱除CO,的炉顶煤 热量的分布状况.而氧气高炉条件下软熔带可能 气是较为优化的工艺方案.相比传统高炉，单排风 会变薄甚至消失.An等s发现氧气高炉条件下矿 口和两排风口喷吹循环煤气工艺的CO,排放量分 石开始软熔温度显著增加，软熔温度区间减小及 别达到45.91%和49.02%，燃料比降低22.9%，并且 软熔带气流阻损系数减小，因此软熔带将变得越 明确了增加循环煤气量，提高循环煤气温度有利 来越低，越来越薄甚至消失，因而氧气高炉料柱的 于降低高炉燃料比，减少CO2排放.韩毅华还 透气性得到了明显提高.Zhang等s通过模拟传 对包括FOBF在内的几种典型氧气高炉工艺进行 统高炉和氧气高炉条件下的高温反应实验，研究 了总结，发现典型流程均采用从外部向炉身补充 了烧结矿、球团矿及混合炉料的软化和熔融行为. 煤气和热量的方式解决“上凉”，FOBF、OCF和 结果表明，与传统高炉相比，氧气高炉中烧结矿和 NKK流程则采用化学反应吸热的方式解决“下 球团的软化区变宽，而熔化区变窄.烧结矿和球团 热”的问题，而W-KLu和Fik流程采用物理吸热 的透气性均得到改善，混合炉料的软化区间温度 解决“下热”难题.几种工艺中FOBF工艺流程的 扩大了63K,而熔融区的温度收窄了76K,炉料的 间接还原度最高，焦比最低，燃料比最低.因此，包 透气性得到了显着提高 括TGR-OBF等后续进一步深入研究并进人工程 潘玉柱5网研究了氧气高炉气氛下的不同预还 技术开发的流程基本依据FOBF流程变化而来 原度含铁炉料的软熔行为，获得了软化开始温度 2.2炉内反应研究 T10%(样品收缩10%时的温度)、软化结束温度即 2.2.1高还原势条件下含铁炉料的还原 熔融开始温度Tm、滴落温度Ta、最大压差△Pmax 炉顶煤气循环氧气高炉工艺的明显特征是煤 和熔滴性能特征值S等指标，结果如图3所示.与 气中的CO、H2分压加大，煤气还原势提高.高还 传统高炉对比，氧气高炉气氛下炉料的软化区间 原势煤气条件下的含铁炉料的还原反应与交互作 变宽，熔融区间变窄，软熔带的厚度变窄且位置下 用及其对高炉操作过程影响始终是研究的重点. 移，有利于炉料透气性的提高.在此基础上建立了 以Zhang等、Lan等2和Han等1为代表 软熔带区域模型，对不同工况条件下的软熔带压 的研究者发现，与传统高炉相比，氧气高炉条件下 差及煤气流分布进行解析. 含铁炉料的开始还原温度降低，还原速度加快，间 22.3回旋区内煤粉燃烧 接还原度提高.Zhang等I进行了TGR-OBF条件 回旋区内的煤粉燃烧状态是影响燃烬率、炉 下的含铁炉料还原研究，结果表明氧气高炉炉腹 缸热状态及初渣流动的重要因素.为此，学者们针 煤气明显提高了炉身炉料的还原程度，铁矿石还 对不同燃烧条件下的煤粉燃烧及燃烬率提高措施 原度可达到90%以上，炉料在高炉中的停留时间 开展了大量研究 缩短，生产率提高.Lan等]和Han等1发现在 Chai等s阿通过自主搭建设备获得了氧气高炉 氧气高炉气氛下，烧结矿的还原度和还原速度显 条件下喷吹煤粉燃烧速率，并通过数学推导建立 著提高，在900℃下还原117min时还原度(RI)达 了喷吹煤比与氧碳比的关系（图4）.实验结果表 到98.2%，而传统高炉气氛中还原180min时， 明，随着氧碳比的增加，燃烧条件变好，煤粉的燃 RI仅为88.3%.多位研究者从不同角度对氧气高 烬率增加.在研究的四种煤粉中，C煤的可燃性最 炉条件下的炉料变化进行了系统研究“0，取得 好，当喷煤量为每吨铁350kg时，燃烬率达到79%. 的研究成果均表明氧气高炉含铁炉料还原速度加 Li等5使用微流化床动力学分析仪(MFBKA)研 快，还原度提高，有利于氧气高炉获得高的生产效 究了两相流中粉煤燃烧的动力学特性，发现表观

秦民生等[33] 建立了 FOBF 工艺高炉炼铁过程 综合数学模型，全面解析了 FOBF 工艺的运行状 态. 文献 [36] 建立了氧气高炉能量转化模型，对氧 气高炉炉顶煤气热值、外供煤气量、喷煤量的影 响因素进行了模拟计算. 此后，Zhang 等[37]、韩毅 华等[38−39]、陈永星[40] 以 FOBF、OCF 工艺为基础， 根据炉顶煤气是否脱除 CO2、是否预热、采用一排 还是两排风口喷吹为研究变量，对氧气高炉流程 进行了系统对比研究. 结果发现，采用炉缸和炉身 两排风口喷吹加热到 900 ℃ 的脱除 CO2 的炉顶煤 气是较为优化的工艺方案. 相比传统高炉，单排风 口和两排风口喷吹循环煤气工艺的 CO2 排放量分 别达到 45.91% 和 49.02%，燃料比降低 22.9%，并且 明确了增加循环煤气量，提高循环煤气温度有利 于降低高炉燃料比，减少 CO2 排放. 韩毅华[38] 还 对包括 FOBF 在内的几种典型氧气高炉工艺进行 了总结，发现典型流程均采用从外部向炉身补充 煤气和热量的方式解决“上凉” ， FOBF、 OCF 和 NKK 流程则采用化学反应吸热的方式解决“下 热”的问题，而 W-K Lu 和 Fink 流程采用物理吸热 解决“下热”难题. 几种工艺中 FOBF 工艺流程的 间接还原度最高，焦比最低，燃料比最低. 因此，包 括 TGR−OBF 等后续进一步深入研究并进入工程 技术开发的流程基本依据 FOBF 流程变化而来. 2.2    炉内反应研究 2.2.1    高还原势条件下含铁炉料的还原 炉顶煤气循环氧气高炉工艺的明显特征是煤 气中的 CO、H2 分压加大，煤气还原势提高. 高还 原势煤气条件下的含铁炉料的还原反应与交互作 用及其对高炉操作过程影响始终是研究的重点. 以 Zhang 等[41]、Lan 等[42] 和 Han 等 [43] 为代表 的研究者发现，与传统高炉相比，氧气高炉条件下 含铁炉料的开始还原温度降低，还原速度加快，间 接还原度提高. Zhang 等[41] 进行了 TGR−OBF 条件 下的含铁炉料还原研究，结果表明氧气高炉炉腹 煤气明显提高了炉身炉料的还原程度，铁矿石还 原度可达到 90% 以上，炉料在高炉中的停留时间 缩短，生产率提高. Lan 等[42] 和 Han 等 [43] 发现在 氧气高炉气氛下，烧结矿的还原度和还原速度显 著提高，在 900 ℃ 下还原 117 min 时还原度（RI）达 到 98.2%，而传统高炉气氛中还 原 180  min 时 ， RI 仅为 88.3%. 多位研究者从不同角度对氧气高 炉条件下的炉料变化进行了系统研究[44−50] ，取得 的研究成果均表明氧气高炉含铁炉料还原速度加 快，还原度提高，有利于氧气高炉获得高的生产效 率和低的燃料消耗. 但有一点需要特别注意，由于 含铁炉料的还原速度大幅度提高，容易导致炉料 低温还原粉化的加剧[51] ，在今后的氧气高炉操作 中需要采取相应措施以减轻还原粉化所造成的负 面影响. 2.2.2    含铁炉料的软熔 炉料软熔行为因是影响高炉操作的重要因素 而备受关注. 软熔带的位置、形状和厚度对高炉 运行有着显著影响，它决定了高炉内还原介质和 热量的分布状况. 而氧气高炉条件下软熔带可能 会变薄甚至消失. An 等[52] 发现氧气高炉条件下矿 石开始软熔温度显著增加，软熔温度区间减小及 软熔带气流阻损系数减小，因此软熔带将变得越 来越低，越来越薄甚至消失，因而氧气高炉料柱的 透气性得到了明显提高. Zhang 等[53] 通过模拟传 统高炉和氧气高炉条件下的高温反应实验，研究 了烧结矿、球团矿及混合炉料的软化和熔融行为. 结果表明，与传统高炉相比，氧气高炉中烧结矿和 球团的软化区变宽，而熔化区变窄. 烧结矿和球团 的透气性均得到改善，混合炉料的软化区间温度 扩大了 63 K，而熔融区的温度收窄了 76 K，炉料的 透气性得到了显着提高. 潘玉柱[54] 研究了氧气高炉气氛下的不同预还 原度含铁炉料的软熔行为，获得了软化开始温度 T10%（样品收缩 10% 时的温度）、软化结束温度即 熔融开始温度 Tm、滴落温度 Td、最大压差 ΔPmax 和熔滴性能特征值 S 等指标，结果如图 3 所示. 与 传统高炉对比，氧气高炉气氛下炉料的软化区间 变宽，熔融区间变窄，软熔带的厚度变窄且位置下 移，有利于炉料透气性的提高. 在此基础上建立了 软熔带区域模型，对不同工况条件下的软熔带压 差及煤气流分布进行解析. 2.2.3    回旋区内煤粉燃烧 回旋区内的煤粉燃烧状态是影响燃烬率、炉 缸热状态及初渣流动的重要因素. 为此，学者们针 对不同燃烧条件下的煤粉燃烧及燃烬率提高措施 开展了大量研究. Chai 等[55] 通过自主搭建设备获得了氧气高炉 条件下喷吹煤粉燃烧速率，并通过数学推导建立 了喷吹煤比与氧碳比的关系（图 4）. 实验结果表 明，随着氧碳比的增加，燃烧条件变好，煤粉的燃 烬率增加. 在研究的四种煤粉中，C 煤的可燃性最 好，当喷煤量为每吨铁 350 kg 时，燃烬率达到 79%. Li 等[56] 使用微流化床动力学分析仪 (MFBKA) 研 究了两相流中粉煤燃烧的动力学特性，发现表观 · 1582 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期