氧氣高爐噴吹焦爐煤氣數學模型

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展方向是以低成本消耗為基礎，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境。其中高爐噴吹焦爐煤氣是解決措施之一。本文對氧氣高爐噴吹焦爐煤氣工藝的內容及其數學模型進行了論述。

關鍵詞：氧氣高爐；噴吹；焦爐煤氣；數學模型

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，我國本著可持續發展觀的經濟發展理念，以節省能量損耗減少氣體排放的基礎來研發各種新型技術，其中本文所論述的氧氣高爐噴吹焦爐煤氣工藝裝置就是最有效的解決辦法之一。氧氣高爐噴吹焦爐煤氣工藝裝置的優點在于克服燃料之間的消耗量，工藝流程簡便，能夠為社會經濟帶來效益，綠色、節能、環保，促使經濟循環發展。

1 氧氣高爐噴吹焦爐煤氣

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

（2）高爐噴吹焦爐煤氣工藝。高爐噴吹焦爐煤氣工藝流程如下，燃燒原料以氣體形式進入壓縮機裝置后，經壓縮機處理，把氣體導入儲氣罐，其中一部分氣體通過旁通回路返回到原焦爐氣體進口處，被循環利用，二次回收具有環保高效作用；另一部分氣體通過吹掃蒸汽和噴吹支管進入到高爐中，高爐開始工作。

（3）噴吹焦爐煤氣的優點。首先該工藝可提供給高爐優質還原劑，CH4+1/2O2=2H2+CO， H2成分占據總成分3/4，其中H2還原速度較快，損耗能量少，能夠增強高爐生產能力并提高焦爐工作進度；其次是還原產物環保， C和CO還原最終產物是CO2，而H2還原產物是H2O，可以減少CO2的排放量，社會意義顯著；然后焦爐煤氣的價值量高，對能量運用效率得到改善，燃燒原料煤氣，其能量利用率一般不到1/2，價格比例按熱值計算，每立方米在0.4左右；另外噴吹技術簡潔方便，控制精確度較高，工作原理組成是通過加大氣體壓強，運送氣體以及噴吹，其有效特征在于設備投資成本低，控制靈活，精確度強，能夠實現單風口定量噴吹。

2 氧氣噴吹焦爐煤氣數學模型

（1）回旋區數學模型的開發。高爐回旋區是高爐重要加工區域，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高爐內傳導熱量的過程。基于回旋區模型的假設，回旋區數學模型如下：開始→焦爐煤氣噴吹量→輸入鼓風參數（富氧率、鼓風量等）→回旋區的質量和熱平衡模型→（函數條件）→輸出回旋區條件→結束。其中風口回旋工作過程為：1）煤粉的反應2C+O2=2CO，C+O2=CO2；2）焦爐煤氣的反應2CH4+O2=4H2+2CO；3）水煤氣的反應H2O+C=CO+H2；4）CO2+C=2CO；5）焦炭的反應C+O2=CO2，2C+O2=2CO。最后風向循環區域內含有CO、H2、N2氣體。

（2）高爐噴吹焦爐煤氣數學計算。置換比計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爐內發生的反應方程為：，表示焦爐內對CO的反復使用率。如果按每單位煤炭來計量，根據公式，焦炭中定量碳含量在高爐中放出的熱量值。高爐噴吹焦爐煤氣的熱量平衡分析的反應過程：，，。其中置換比的計算公式。如下焦爐煤氣成分，H2-60.7%，CH4-26.63%，CO-6.67%，CO-22.23%，N2-3.77%。根據數據，焦炭的固定碳含量為85.23%，灰分含量為13.01%，假設爐頂煤氣溫度為200℃，查表得到各氣體25～200℃的平均摩爾定壓熱容，各物質的熱力學數據，根據公式可計算相互H2的利用率，按1 m?焦爐煤氣來計算，根據數學模型可得出焦爐煤氣所形成的爐頂煤氣各成分的體積，將參數值代入焦炭的置換比計算公式中得出RR=0.486kg/ m?。

（3）CO2脫除率的數學模型。在氧氣高爐噴吹焦爐煤氣工藝流程中，燃料在進入高爐中加熱前，需要除去CO2，CO2+C=2CO，根據反應公式計算反應后的CO2值，通過以往數據分析，舉例如下：設高爐內消耗煤的數值為200kg/t，爐內循環的煤氣含量為400 m?/t，氣體溫度值達到1173K，頂口煤氣進入焦爐之前H2O的剩余量為2g/ m?，在流程操作中所用氧氣質量分數達到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，氣化爐中反應物減少，從而降低煤的消耗量。

3 結語

氧氣焦爐噴吹焦爐煤氣具有優質還原劑H2，增加能量利用率和煤氣價值量，減輕CO2氣體排放量；氧氣高爐噴吹焦爐煤氣無論在國內還是國外都已經具有長期工業研究和生產試驗，工藝技術成熟有效；氧氣高爐噴吹焦爐煤氣為大多說鋼鐵聯合企業提供了便利條件；此外在多種用途中，氧氣噴吹焦爐的利用價值極大，應用效果顯著，適應能力極強，不受外界環境干擾，并且能夠實現利益最大化，是目前煉鐵技術最好的選擇。

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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化。endprint