全氧高炉炼铁关键技术基础

理论分析及欧盟的半工业试验表明，和传统高炉相比，全氧高炉炼铁可以减碳24%，结合CCS技术可以使CO2减排60%以上。本项目以全氧高炉炼铁技术为背景，针对浓密相煤粉纯氧高效燃烧、全炉热状态综合调控、煤气重整与循环利用等关键技术的理论基础。通过全氧鼓风条件下氧煤燃烧机理与氧煤燃烧器特性研究，揭示氧-煤燃烧反应动力学机理，获得氧煤高效燃烧关键控制参数；通过全氧高炉炉料反应动力学及物性演变规律研究，揭示高还原势气氛中含铁炉料还原反应动力学机理及炉料物性演变规律；开展全氧高炉多场耦合模型与过程调控机制的研究，通过炉料下降、软熔、气固换热、化学反应过程的研究，形成工艺过程调控机制；通过煤气循环利用技术研究，选择适宜的CO2气体分离及煤气加热方式，对全氧高炉流程进行综合评价。在上述研究的基础上，构建高炉内热化学反应与能质传递协同强化理论，为开发高效节能减排的全氧高炉冶炼技术奠定理论基础。

围绕浓密相煤粉纯氧高效燃烧技术、全炉热状态综合调控技术、煤气重整与循环利用技术三个关键技术的理论基础，通过搭建的微型流化床动力学分析仪、单颗粒试样还原(溶损)和程序还原(软熔)等实验装置，结合建立的风口回旋区三维模型、炉料下降运动模型、气固换热与化学反应耦合模型和多流体全氧高炉数学模型。开展全氧鼓风条件下氧煤燃烧机理与氧煤燃烧器特性、炉料反应动力学及物性演变规律和多场耦合模型与过程调控机制的研究。采用类比法研究循环煤气利用技术方案，以成本和工序能耗为目标，进行全氧高炉流程匹配及综合评价。提高温度、气体流速、氧气浓度和压力及减小煤粉平均粒径能够强化煤粉燃烧，总结出煤粉燃烧反应转化率与工艺参数的关系公式。喷吹预热煤气一方面带入热量促进煤粉燃烧，另一方面阻碍氧气向煤粉的扩散。设计双插入式、单插入式、双贯穿式及单贯穿式风口组合方案，得到关键结构参数与煤粉喷吹工艺的匹配关系，设计符合全氧高炉要求的新型氧煤燃烧器。全氧高炉煤气条件下炉料还原速率增加，强化了铁氧化物的还原；与传统高炉比，还原过程以界面化学反应和内扩散混合控速为主，反应阻力减小。反应后形成结构较致密金属铁相，炉料中心区域浮氏体核心几乎消失。全氧高炉气氛下球团矿和块矿的低温还原粉化指数基本不变，而烧结矿略有降低；全氧高炉气氛下炉料的软熔性能优于传统高炉条件，透气性得到了明显改善；H2O与焦炭的反应速率较快，但是反应后焦炭的结构较均匀，对其气孔壁的损害相对较小。全氧高炉工艺条件对炉料下降行为影响很小，但随风口回旋区尺寸减小，汇聚流区域减小，死料柱区域扩大。炉身喷吹煤气带入了热量供应，强化了炉身传热与化学反应的协同，炉身喷吹煤气与炉腹上升煤气存在占位现象，炉身边缘和中心区域炉料的还原行为存在一定差异。全氧高炉条件下，不同炉料的软化区间较传统高炉气氛有所提高，熔融区间显著减薄。中等的炉身风口位置、较高的循环煤气温度以及较大的循环煤气分配比例对全氧高炉内温度场、煤气分布以及铁矿石还原是有利的。适宜全氧高炉流程的煤气循环利用方案是采用变压吸附工艺分离CO2和部分燃烧法预热循环煤气。与传统流程相比，全氧高炉钢铁流程输入原煤量减少26.1%，对钢铁流程内副产煤气的平衡影响较大，因大量脱除CO2和氧气鼓风，电量总消耗比传统流程高出50.9%。综合考虑全氧高炉最优工艺流程是双排风口、部分炉顶煤气脱除CO2后返回高炉、上下煤气均预热。