炼铁反应器内物理能与化学能的匹配及最大化利用

针对目前炼铁还原反应器存在的煤气还原势未能充分利用的问题，认为主要原因是煤气还原势与温度的匹配不合理。为解决这一问题，本项目将首先通过对炉内各场的数值模拟，确定热力学上的煤气还原势盈余分布和总量，建立起反应器能量利用的评价方法，然后结合实验获得的铁氧化物还原的宏观动力学方程，以整体能耗最低为目标，分析确定反应器内各处最佳的还原势与温度的匹配，最后通过在反应器适当部位引入适当量的氧气，将部分盈余还原势转换成热量来提高温度以达到温度与还原势的最佳匹配，从而实现能量的最大化利用。项目成果一方面可以用于对炼铁反应器能量利用的评价，另一方面不仅可用于新型反应器的设计，而且也可用于现有反应器工艺设计和操作的改进，因此不仅具有直接的应用意义，更具有研究方法方面的贡献。

针对炼铁反应器存在的煤气还原势未能充分利用等问题，设计出三种炉顶煤气循环新工艺和上部吹氧竖炉新工艺。通过建立热力学动力学模型对其进行数值分析。可为炼铁工艺的优化设计及操作改进提供参考建议，并为进一步开发新型炼铁工艺提供理论和计算基础。结果表明，传统竖炉为满足热平衡需求不得不通入大量新鲜煤气，导致炉顶煤气具有较高的还原势化学能。在传统竖炉内，不仅由Fe2O3到Fe3O4的还原反应在热力学上盈余大量煤气，而且从Fe3O4到FeO的还原也同样具有较高盈余煤气，甚至是在热力学上较难进行的FeO到Fe的还原反应中，煤气也略有盈余。对于提出的炉顶煤气循环工艺TGR1、TGR2、TGR3，新鲜煤气量较传统竖炉分别降低了68.60%、61.89%和61.16%，TGR2和TGR3能耗较传统竖炉大幅降低，但其工艺增加了额外设备，成本高，还存在转化率和热效率等问题。上部吹氧竖炉所需还原煤气量为1010.46Nm3•(tDRI)-1，吹氧量为19.69 Nm3•(tDRI)-1，吹氧位置为6.5 m高度。煤气出口还原势降至0.79，能耗较传统工艺降低38.35%。吹氧后，炉内温度迅速升高，CO和H2体积分数逐渐减小，煤气盈余大幅减小，煤气利用率显著提高。