COREX熔化氣化爐穩態(tài)數值模擬

2008年第6期寶鋼技術(shù)1COREX熔化氣化爐穩態(tài)數值模擬李海峰',王臣' ,鄒宗樹(shù)' ,林金嘉,周渝生2(1.東北大學(xué),遼寧 沈陽(yáng)110004; 2.寶鋼股份公司,上海 201900)摘要:基于多相質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和熱量守恒開(kāi)發(fā)了-維穗態(tài)的敷學(xué)模型,對熔化氣化爐填充床進(jìn)行模擬，自由空間和鳳口區則采用靜態(tài)平衡來(lái)進(jìn)行計算。計算得出的渣鐵溫度、爐頂煤氣溫度及成分與工廠(chǎng)報道值相吻合。應用該模型能夠研究床層高度、原料的成分和操作參數等對工藝過(guò)程的影響。關(guān)鍵詞:COREX;教值模擬;熔化氣化爐中圖分類(lèi)號:TF557文獻標識碼:B 文章編 號:1008 -0716(2008)06 -0019 -04Steady-state Numerical Simulation of the COREX Melting GasifierLi Haifeng' , Wang Chen' , Zou Zongshu' , Lin Jinja2 , Zhou Yusheng2(1. Northeastern University, Shenyang 10004, Liaoning, China;2. Baoshan Iron & Steel Co.，Ltd.，Shanghai 201900, China)Abstract: Based on the muliphase conservation of mass, momentum and heat, a one-dimensional mathematicmodel was developed for the packed bed of the COREX melting gasifer. The free board and tuyere zones were calcu-y the static equlibriumn. The clulaed temperature of the hot metal, top gas and slag, and the compsition ofthe top gas agree well with the reported plant data. The model can be used to study the ffects of the bed height, ma-terial compoition, and operation parameters on the process performance.Key words:COREX; numerical simulation;melting gasifier0前1 模型建立COREX工藝是第一個(gè)實(shí)現工業(yè)化規模生產(chǎn)的按照冶金功能熔化氣化爐可分為3個(gè)計算區熔融還原技術(shù)?，F在正在運行的COREX- 2000 設域:填充床采用一維模型,自由空間和風(fēng)口區采用備有4座,分別在印度金達爾(2座)、南非薩爾達零維計算,如圖1所示。納(1座)和韓國浦項(1座,但已經(jīng)發(fā)展成FINEX)。2007 年11月寶鋼羅涇廠(chǎng)的COREX-3000投產(chǎn)運行。COREX熔化氣化爐承擔著(zhù)熔煉和造氣的功能，是COREX工藝的核心設備。本文對COREX熔化氣化爐進(jìn)行了初步研究。與高爐相比,COREX熔化氣化爐的模擬更加自由空間區城(零維)困難。高爐中所有原料在室溫下加入,不考慮固相之間的傳熱;熔化氣化爐的爐料溫度相差大,需考慮固體間的輻射換熱。另外, 煤揮發(fā)分的脫除填充床區城(-維)被認為是熔化氣化爐的一個(gè)特色[1-2]。熔化氣化m7T?tIdz爐和高爐雖存在上述不同特點(diǎn),但成熟和完善的風(fēng)口區域(平維)高爐模型可以為熔化氣化爐數值模擬提供參考。中國煤化工區域示意圍李海峰碩士研究生1982 年生現在 東北大學(xué)攻讀碩士學(xué)位電話(huà)024 -83672219"MHCNMHGelingzesof the COREX melting gasifierE-mail lhifeng623@ 163. com20寶鋼技術(shù)2008年第6期1.1 填充床區域模型表1填充床主要化學(xué) 反應方程式1.1.1 模型基本假設Table 1 Main reactions in the packed bed(1)氣體和顆粒的流動(dòng)遵循活塞流;化學(xué)反應方程式反應速率(2)忽略固體顆粒內部的溫度梯度;FeO+ co- Fe+ CO2RFeO+ H2 =Fe+ H20(3)每種物料只有一個(gè)顆粒尺寸,且不隨床C+CO2 =2CO層高度變化;C+ H2O=CO+ H2(4)液體向下的流動(dòng)速度為常數并且與固體CaCO3 =CaO+CO2運動(dòng)保持-致;CaMg(CO3)2 =CeCO, + MgO +CO2(5)物料連續加人，并且在爐內各顆粒均勻CO+ H20=CO2 +H2FeO+C=Fe +Co混合。1.1.2模型考慮的化學(xué)反應h=A + Bm,(3)熔化氣化爐填充床的化學(xué)反應包括鐵氧化物E,/R=C + DInm,(4)的還原焦炭氣化、水煤氣反應、碳酸鈣煅燒、煤的1.1.3 模型基本方程揮發(fā)分脫除及裂解等。主要化學(xué)反應方程式見(jiàn)表單位時(shí)間內對單元體積(床層高度dz或Qz)1(文中所有符號含義及單位見(jiàn)文末“符號表")。內氣體和固體進(jìn)行物料平衡和能量平衡,對氣體煤揮發(fā)分脫除采用Donskoi和McElwain提出進(jìn)行力的平衡,得到以下方程式:的n階模型來(lái)計算,反應速率如下:(1)氣體和固體連續方程R=Y=koexp( -E/RT)(V*-V)° (1)出=(4)5. .(5)Rn=ZR(2)些_[1-o)4]c.(6)會(huì )年花表?yè)]發(fā)分中Co, CO,H2, H,O, Tar;E,式中源項G。和C見(jiàn)表2。和k項是加熱速率的簡(jiǎn)單函數,分別為:表2質(zhì)量平衡方程的源項Table2 Source terms in mass balance equations物相G/ GCo [2R;+Rco+R +Rg-R-RJ-Yco[R +R.+Rs +R。+Rg + RvoL]COr[R, +Rs +Roon +R。+R,-R,]-Yo][R+R. +Rs +R。+R, + RvoL]氣相H2 [R.+Rmz +R,-R2]-Ym[Rg+R +Rs +R。+Rg + RvoL]H2O [Rx2o+Rz -R,-Rz]-YIyo[Rz+Rs +Rs +R。+Rg + RvoL]Tar Rw-Yrm[R,+R, +R, +R。+R, +Rvou]FeO [1W(3(np93 )o+ (npo))[R +R2 +R。J固相c [1/(nc)][R, +R, +Rj]CaCO, [1/nco )o][R,]MgCO, [1/(nmcoy )o][RJ]模型假設(4)保證了固相的連續方程也適用于液相。(2)氣體熱量守恒方程((x()-+(0a2)(S)(出]-(.w)(&R+Rua+R)+0.-O。 -O.} (7)(3)固體(液體)熱量守恒方程(8)((Co(){-(-=-yj)(2[+()+e。-.-0.}(4)氣體壓降方程( Ergun方程)中國煤化工F_[150.0p(1-e)2S2 + 1. 75p(1MYHCNMHG(9)山(3132.0x10A,){ 36.026.0A,李海峰等COREX 熔化氣化爐穩態(tài)數值模擬21.2自 由空間區域模型揮發(fā)分的裂解吸熱與氣體體積不斷增大等因素都為簡(jiǎn)化模型,假定所有粉塵(C, FeO和脈石)對降低煤氣的溫度有貢獻。從填充床頂部往下都在自由空間產(chǎn)生。粉塵中C全部來(lái)自塊煤，3.5 m的區域內,爐料的平均溫度增加緩慢。這FeO全部來(lái)自粉礦,脈石來(lái)自塊煤熔劑和粉礦。是因為在這 段區域內發(fā)生爐料中水分的蒸發(fā)、煤形成粉塵的塊煤中水分完全蒸發(fā)和揮發(fā)分脫除完焦油脫除和鐵礦石間接還原等消耗了大部分氣體全并全部裂解,剩余塊煤中揮發(fā)分的一-半在自由傳給固體的熱量。由圖2可見(jiàn)，直到風(fēng)口上部空間脫除并完全裂解。形成粉塵的熔劑在自由空1.1 m處,爐料升溫速率才有所加快。當爐料的間完全分解。所有粉礦被還原,且與入爐DRI的溫度達到1250C(設定的熔化溫度)時(shí)開(kāi)始熔金屬化率相同。返塵中C和噴吹的氧氣燃燒生化,經(jīng)過(guò)0.3 m的床層高度后爐料全部熔化。最成CO,氣體中揮發(fā)分完全熱裂解。根據假定條終熔體達到風(fēng)口中心線(xiàn)的溫度為1 600C。件,通過(guò)物料衡算得到進(jìn)人自由空間的煤氣量和3600組分;通過(guò)熱量衡算得到煤氣的溫度,以及DRI、3300一solld3000...混煤熔劑和粉礦的溫度。27001.3風(fēng)口區域模型。2400區2100假定在絕熱條件下從風(fēng)口吹入的氧氣全部與習18000半焦發(fā)生不完全燃燒反應，釋放的化學(xué)反應熱全15001200部用于加熱生成煤氣,求出理論燃燒溫度這一重90要參數。根據文獻假定參與反應的半焦和熔體溫60度均為I 600C ,氧氣(純度99.5% )為25C ,由風(fēng)←→7jτζδ7g床層高度/m口區域物料平衡和熱平衡計算出風(fēng)口煤氣的成分和渴數據圖2填充床內氣體 與固體溫度場(chǎng)Fig.2 Temperature profiles of gas2模型求解方法and solid in the packed bed通過(guò)整體模型得到熔化氣化爐產(chǎn)生煤氣的成圖3給出了填充床內氣體成分變化曲線(xiàn)。由分及溫度,根據現場(chǎng)操作設定人爐物料溫度和成于爐料平均溫度較高,煤中的水分在距離填充床分作為自由空間的邊界條件。自由空間模型計算頂部1.5 m處完全蒸發(fā)。床高為0.8 m處CO2開(kāi)出填充床上端氣體和固體溫度、成分和流量,作為始產(chǎn)生,其濃度持續增加到達2 m處后保持不變。填充床頂部的邊界條件，根據數學(xué)模型,采用四階1. '標準Runge-Kutta法[3進(jìn)行填充床數值計算,求o.9f解床內過(guò)程變量的軸向分布。這樣所得的風(fēng)口平0.8-x0.7面上的煤氣流量、成分、溫度及半焦溫度的計算值直到與由風(fēng)口區域模型計算得到的風(fēng)口平面上的邊界條件的值一致。饕0.420.30.23結果分析和討論o.H,3.1 模擬結果算例圖2為填充床內氣體與固體的溫度場(chǎng)。由圖可見(jiàn),從風(fēng)口中心線(xiàn)位置沿軸線(xiàn)向上4.5 m,在這困3填充床內氣體成分場(chǎng)段區域內由于氣體和固體間存在巨大的溫差,氣Fig.3 Gas composition profiles in the packed bed體與固體(熔體)之間對流傳熱比較劇烈;煤氣在這段爐體內的水當量較低,也是導致煤氣的溫度在床層高度為1 ~3 5 m段肉C0濃度迅速下降,隨著(zhù)床層高度增加而陡降的原因。床層高度達到與之中國煤化工。原因在于此4.5 m后由于煤的熱解產(chǎn)生焦油等產(chǎn)物，導致煤段區均YHCNMHG發(fā)分中的氫脫氣的水當量增加,使煤氣的溫度降低放緩。此外，除加速,產(chǎn)生大量的H2,同時(shí)煤氣中還存在部分22左鋼技72008年第6期CO2,煤氣的總體積增加,新產(chǎn)生的氣體稀釋煤氣700 r中CO,導致其摩爾分數隨床層高度上升而逐漸降00 F低。在床層高度5.5 m以上,C0和H2摩爾分數二沒(méi)有明顯改變。1003.2操作參數影響分析對現場(chǎng)操作來(lái)說(shuō)，床層高度不可能一-直保持恒定,因此,有必要研究- -下床層高度對爐料溫度的影響。圖4給出了3個(gè)不同床層高度下的爐料的溫度場(chǎng)。床層高度降低導致物料在爐內的停留時(shí)間減少,因此爐料到達風(fēng)口的溫度會(huì )降低。從圖中可以看出床層高度每降低0.5 m,熔體溫度圖4床層高度對爐料溫度場(chǎng)的影響Fig4 Effect of the bed height on減少約50C。實(shí)際操作中床層高度的波動(dòng)不可material temperature profile避免,現場(chǎng)數據顯示鐵水溫度的偏差為土20C。模擬結果與現場(chǎng)數據相比有30C的誤差。處完全蒸發(fā);煤焦油在床層高度的4.5 m處完全脫除;床層高度為1 ~3.5 m段內CO濃度迅速下4結論降,H2濃度快速增加;在床層高度5.5 m以上，闡述了熔化氣化爐區域模型的建立和求解過(guò)CO和H2濃度沒(méi)有明顯改變;在風(fēng)口上部1.1 m程,應用模型分析得出以下結論:處爐料的溫度達到1 250 (設定的熔化溫度),(1)填充床區模型能夠計算出爐體高度方向渣鐵到達風(fēng)口中心線(xiàn)的溫度為1600C。的煤氣的成分、溫度和固體(液體)的溫度場(chǎng)。研(2)床層高度每降低0.5 m,渣鐵溫度降低約剜券數癟料中的水分在距離填充床頂部1.5 m50C。符號表A. : 高度時(shí)的床層橫截面積,m2n單位床層體積顆?？偰枖?mol(3)式指敷前因子中線(xiàn)性近似常數壓力,PaC,D (4)式中折算話(huà)化能近似值常 數氣體吸收化學(xué)反應熱速率,kJ/e混合氣體熱容,kJ/(kg. C)氣固傳熱速率,J/eCo 氣體i的熱容,J/(kg.c)氣相與爐壁熱損失速率,kJ/s固體的平均熱容,IJ/(kg.C)Q固體吸收化學(xué)反應熱速率,kJ/sj物質(zhì)的轉化率Q.固相與爐壁熱損失速率,k/s氣體摩爾流率,mol/sR第i個(gè)反應的反應速率. mo/'a固體體積流率,m'/mS床層物料的平均比表面積,m-'氣體流量,m2/%氣體溫度,K氣體源項,mol/s固體溫度,K固體源項,s-'t時(shí)刻濫出的煤中揮發(fā)分質(zhì)量分數Hu k相固體的熱焙,kJ/(kg●mol)煤中揮發(fā)分質(zhì)最分數co, CO2. H, H20, Tar,Vol 及表1中8個(gè)反應氣體中i摩爾分數代表Fe0,CaCO3. MgCO3,C單位床層高度,mFe2O,, FeO, Fe, C, CaCO, CaO, MgCO3, MgO距填充床頂端的距離,m加熱速率(n)o i 物質(zhì)的摩爾初始量,moli物質(zhì)的密度, kg/m’mk 物質(zhì)的摩爾量.mol氣體黏度,Pa.參考文獻bah-type smeling reducion furmace[J]. Isu, 1993, 33: 369-675.[1] Subrata P, Ashok K L. Mathemetical model of COREX MelerGasifer: Part 1. Steady State Model[J]. Metallungy and mat-[3] 張鐵， 閻家斌數值分析[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，nials tansecins B, 2003, (34B):103 -114.中國煤化工:008 -o -09)[2] ShinM K, Lees D, JooS H. A numerical study on the com-bustion phenomena occuring at the pot combustion stage inTYHC N M H Goo8 -10-12)