全氧高爐煉鐵關鍵技術基礎

《全氧高爐煉鐵關鍵技術基礎》是依託北京科技大學，由張欣欣擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：全氧高爐煉鐵關鍵技術基礎
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：張欣欣
• 項目類別：聯合基金項目

項目摘要

理論分析及歐盟的半工業試驗表明，和傳統高爐相比，全氧高爐煉鐵可以減碳24%，結合CCS技術可以使CO2減排60%以上。本項目以全氧高爐煉鐵技術為背景，針對濃密相煤粉純氧高效燃燒、全爐熱狀態綜合調控、煤氣重整與循環利用等關鍵技術的理論基礎。通過全氧鼓風條件下氧煤燃燒機理與氧煤燃燒器特性研究，揭示氧-煤燃燒反應動力學機理，獲得氧煤高效燃燒關鍵控制參數；通過全氧高爐爐料反應動力學及物性演變規律研究，揭示高還原勢氣氛中含鐵爐料還原反應動力學機理及爐料物性演變規律；開展全氧高爐多場耦合模型與過程調控機制的研究，通過爐料下降、軟熔、氣固換熱、化學反應過程的研究，形成工藝過程調控機制；通過煤氣循環利用技術研究，選擇適宜的CO2氣體分離及煤氣加熱方式，對全氧高爐流程進行綜合評價。在上述研究的基礎上，構建高爐內熱化學反應與能質傳遞協同強化理論，為開發高效節能減排的全氧高爐冶煉技術奠定理論基礎。

結題摘要

圍繞濃密相煤粉純氧高效燃燒技術、全爐熱狀態綜合調控技術、煤氣重整與循環利用技術三個關鍵技術的理論基礎，通過搭建的微型流化床動力學分析儀、單顆粒試樣還原(溶損)和程式還原(軟熔)等實驗裝置，結合建立的風口迴旋區三維模型、爐料下降運動模型、氣固換熱與化學反應耦合模型和多流體全氧高爐數學模型。開展全氧鼓風條件下氧煤燃燒機理與氧煤燃燒器特性、爐料反應動力學及物性演變規律和多場耦合模型與過程調控機制的研究。採用類比法研究循環煤氣利用技術方案，以成本和工序能耗為目標，進行全氧高爐流程匹配及綜合評價。提高溫度、氣體流速、氧氣濃度和壓力及減小煤粉平均粒徑能夠強化煤粉燃燒，總結出煤粉燃燒反應轉化率與工藝參數的關係公式。噴吹預熱煤氣一方面帶入熱量促進煤粉燃燒，另一方面阻礙氧氣向煤粉的擴散。設計雙插入式、單插入式、雙貫穿式及單貫穿式風口組合方案，得到關鍵結構參數與煤粉噴吹工藝的匹配關係，設計符合全氧高爐要求的新型氧煤燃燒器。全氧高爐煤氣條件下爐料還原速率增加，強化了鐵氧化物的還原；與傳統高爐比，還原過程以界面化學反應和內擴散混合控速為主，反應阻力減小。反應後形成結構較緻密金屬鐵相，爐料中心區域浮氏體核心幾乎消失。全氧高爐氣氛下球團礦和塊礦的低溫還原粉化指數基本不變，而燒結礦略有降低；全氧高爐氣氛下爐料的軟熔性能優於傳統高爐條件，透氣性得到了明顯改善；H2O與焦炭的反應速率較快，但是反應後焦炭的結構較均勻，對其氣孔壁的損害相對較小。全氧高爐工藝條件對爐料下降行為影響很小，但隨風口迴旋區尺寸減小，匯聚流區域減小，死料柱區域擴大。爐身噴吹煤氣帶入了熱量供應，強化了爐身傳熱與化學反應的協同，爐身噴吹煤氣與爐腹上升煤氣存在占位現象，爐身邊緣和中心區域爐料的還原行為存在一定差異。全氧高爐條件下，不同爐料的軟化區間較傳統高爐氣氛有所提高，熔融區間顯著減薄。中等的爐身風口位置、較高的循環煤氣溫度以及較大的循環煤氣分配比例對全氧高爐內溫度場、煤氣分布以及鐵礦石還原是有利的。適宜全氧高爐流程的煤氣循環利用方案是採用變壓吸附工藝分離CO2和部分燃燒法預熱循環煤氣。與傳統流程相比，全氧高爐鋼鐵流程輸入原煤量減少26.1%，對鋼鐵流程內副產煤氣的平衡影響較大，因大量脫除CO2和氧氣鼓風，電量總消耗比傳統流程高出50.9%。綜合考慮全氧高爐最優工藝流程是雙排風口、部分爐頂煤氣脫除CO2後返回高爐、上下煤氣均預熱。