关于高炉溜槽中粉煤与钢渣共注入的数值模拟研究

基于三维数值模拟的高炉钢渣协同喷射热力学行为研究揭示，热风温度提升至1473 K可使高炉 raceway 内最高温度达2477 K并扩大高温区，而钢渣注射率超过0.06 kg/s（临界阈值）将导致raceway温度骤降至1900 K以下。钢渣通过调节渣碱度（0.7-1.2）显著影响熔体流动性（0.28-0.54 Pa·s）和气液渗透性，协同燃煤效率提升15%-20%。

　　

作者：詹夏迪（Zhanxia Di）、王胜楠（Shengnan Wang）、程邦（Bang Cheng）、闫斌（Bin Yan）、王平（Ping Wang）

安徽工业大学冶金工程学院，马鞍山243002，安徽，中国

摘要

钢渣与粉煤的共注入为钢渣的大规模利用提供了一种途径。本文建立了一个三维集成数学模型，该模型耦合了气固流动、燃烧反应和传热过程，以阐明热风温度和渣料注入速率对高炉内热力学行为的影响机制，并确定了渣料注入量的临界阈值。仿真结果表明，在风管中形成了一个高温区域，其峰值温度达到2477 K，粉煤喷射流在此区域形成；气相速度从喷射喷嘴处的260 m/s降低到焦床内的10 m/s。当热风温度从1373 K升高到1473 K时，风管内的峰值温度从2372 K升高到2477 K，同时高温区域显著扩大，这表明较高的热风温度可以提高粉煤的燃烧效率。随着钢渣注入速率的增加，风管内的温度降低，高温区域的面积减小，峰值温度分别降至2393 K（注入速率为0.04 kg/s）、2366 K（0.05 kg/s）和2322 K（注入速率为0.06 kg/s）。风管内各组分的含量也发生了变化：钢渣注入量增加时，风管内的O₂含量减少，而CO和CO₂含量增加。当钢渣注入速率为0.07 kg/s时，风管内的温度下降趋势显著加剧，峰值温度仅约为1900 K。这些研究结果确定0.06 kg/s为维持风管所需热稳定性的渣料注入临界阈值。

引言

高炉炼铁仍然是现代钢铁制造的基石工艺，其运行效率和环境性能直接决定了生产成本和可持续发展。近年来，随着环境法规的日益严格和能源成本的上升，人们不断优化高炉炼铁技术。其中，粉煤注入（PCI）技术已被广泛应用于高炉操作中，作为一种重要的节能和减少消耗的措施[1]、[2]、[3]、[4]。

钢渣作为钢铁生产过程中的固体副产品，长期以来一直是钢铁工业综合利用的重点[5]。钢渣含有高量的CaO和FeO，使其在粉煤注入过程中既可作为燃烧催化剂，也可作为熔剂[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。当钢渣与粉煤共同注入高炉风口区域时，在超高温条件（2323–2423 K）下，钢渣会迅速反应，促进CaO的溶解并改变局部渣料性质。因此，风口区域渣料的碱度和粘度会动态变化，从而影响渣料的流动性、气液渗透性以及风管的演变[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。图1示意性地展示了渣料碱度对风口区域物理化学状态和流动行为的影响：在低碱度（CaO–MgO–Al?O?–SiO?–FeO系统，碱度=0.7）下，渣料粘度较高（0.54 Pa·s），导致渣料流动受阻，粘性熔融相在风管周围积聚，气液渗透性降低；而在高碱度（碱度=1.2）下，CaO溶解加速，渣料粘度显著降低至0.28 Pa·s，提高了渣料的流化性和液体流动性，增强了风口区域的传质和传热效果[13]。因此，钢渣与粉煤的共注入为高炉操作的绿色升级提供了一种创新途径[20]、[21]。

由于高炉是一个高温高压的封闭“黑箱”，直接观察其内部现象非常困难。因此，计算流体动力学（CFD）方法成为研究高炉内部反应机制的关键工具。早期的一维（1D）和二维（2D）模型主要用于阐明粉煤燃烧的基本机制。随着数值模拟技术和高性能计算的进步，现代的三维（3D）模型能够精确模拟实际炉型及其复杂物理过程[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。He等人[22]开发了一个基于质量-能量守恒方程的一维稳态模型来预测煤的燃烧速率，但由于忽略了径向流动的异质性，其适用范围有限。José Adilson等人[23]提出了一个二维数学框架，用于模拟多种材料（粉煤、预还原铁矿石和熔剂）的共注入，证明了高比例注入铁矿石和熔剂可以稳定炉内操作。Shen等人[24]首次采用欧拉-拉格朗日框架开发了三维煤燃烧模型，结合k-ε湍流模型和有限速率/涡流耗散（EDC）燃烧模型，复现了风管内煤浓度分布的误差小于15%。Shen等人[25]进一步将焦床气化反应纳入模型，建立了完整的高炉气固两相流动模型，验证了焦孔隙率对煤燃烧速率的抑制作用（R²=0.92）。Zhuo等人[26]开发了一个三维瞬态模型，动态描述了风管的演变和煤-焦共燃烧过程，证实了富氧（>25% O?）可以增加风管穿透深度，提高煤的燃烧速率并增加CO的生成。受碳中和目标的驱动，最近的研究扩展到了有机固体废物与煤的共注入模拟和工艺优化[21]。Wang等人[27]系统研究了生物合成气与煤的双喷枪共注入，发现生物合成气的燃烧加速了煤的挥发；不过喷枪间距的增加会导致燃烧速率的非单调“升降”变化。在同一团队[28]的研究中，通过废弃炉衬（SPL）-煤共注入模拟表明，超过25%的富氧浓度显著提高了混合物的燃烧性能。Zhao等人[29]采用二元粒子模型和三维倾斜喷嘴CFD模拟，证明生物炭-煤共注入能有效增加风管内的高温区域体积分数，强化颗粒的预热/完全燃烧，提高燃烧效率。

根据统计数据，2024年中国的高炉生铁产量达到了8亿吨[25]。因此，研究钢渣在渣煤共注入系统中的最大注入速率对于实现钢渣的大规模利用具有重要意义。本研究建立了一个三维气固反应模型，系统研究了热风温度对高炉内热力学行为的影响，以及钢渣注入后风口风管内的温度变化。同时，计算了钢渣注入速率的临界阈值范围，为钢渣与粉煤的共注入提供了理论基础。

模型控制方程

气相流动采用欧拉方法进行建模，通过求解以下耦合守恒方程：连续性方程、动量守恒方程、标准k-ε方程、Ergun方程和能量方程。这些计算确定了关键流场参数：速度、压力、温度、湍流动能和湍流耗散率。风管周围的焦床被视为多孔介质，流体流动在其中受到粘性阻力的影响。

风管区域的速度场分布

图3显示了基准情况下风管区域的气相速度分布。粉煤喷射枪的倾斜插入导致热风在枪尖附近局部压缩，产生约260 m/s的速度峰值。携带粉煤的载气从喷射枪喷出并进入风口，热风与低速载气和粉煤进行质量与动量交换，风口内的气相速度随之降低。

结论

本文提出将钢渣与粉煤共注入作为一种创新的方法，用于大规模利用钢渣。为了确定钢渣共注入的临界阈值，开发了一个三维数学模型，用于模拟高炉内混合渣煤注入过程中的燃烧行为。该模型还评估了钢渣颗粒大小对风管热行为的影响。主要结论如下：

(1)

术语表

A
阿伦尼乌斯方程的指数前因子
A_p
颗粒的表面积（m²
a_i, b_i, c_i, d_i, e_i,
物种的比热容系数
C₀
原煤质量
C₁, C₂
湍流模型常数
C_g, C_d

流体动力学参数

C_D

阻力系数

C_p

颗粒的比热容（J/kg·K^?1

$C_{p\_<mi>s</mi>}$

钢渣颗粒的比热容（J/kg·K^?1

d_c

焦粒直径（m）

d_p

颗粒大小（m）

D_R

风管深度（m）

D_T

风口直径（m）

E

活化能

E_p

颗粒的等效辐射

燃料-空气

CRediT作者贡献声明

詹夏迪（Zhanxia Di）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、项目管理、方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。王胜楠（Shengnan Wang）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、项目管理、方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。程邦（Bang Cheng）：方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。

未引用参考文献

[43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。