基于数值模拟的不同氢碳比气基直接还原竖炉操作策略
刘征建
1,2
，卢绍锋
1
，王耀祖
3
，张建良
1
，承强
1
(1. 北京科技大学冶金与生态工程学院， 北京 100083；2. 北京科技大学高等工程师学院， 北京 100083；
3. 北京科技大学智能科学与技术学院， 北京 100083)
为降低CO
2
排放，缓解温室效应，中国提出了“碳中和”、“碳达峰”的双碳战略，钢铁工业虽然是全球工业化进程中的重要支柱，但也是CO
2
排放的主要来源之一，传统冶炼过程主要依赖于高炉炼铁，使用焦炭、煤粉等还原铁氧化物，导致大量CO
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被释放到大气中。因此，为实现双碳战略，钢铁工业亟需开发低碳氢冶金技术。气基竖炉工艺因其自身特点，采用天然气或焦炉煤气等富氢气体作为原料气，通过重整反应生成的还原气来还原铁氧化物，不仅取代了传统的化石燃料，同时还产生无污染的水蒸气。因此，气基竖炉工艺作为一种低碳氢冶金技术，能够显著降低钢铁生产过程中的CO
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排放，在未来钢铁行业的绿色、低碳发展中具有巨大的潜力。建立了涉及还原反应和渗碳反应的气基竖炉二维CFD数值模拟模型，研究了还原气氢碳比、还原气温度以及炉顶压力等对气基竖炉的影响。结果表明，提高还原气氢碳比(体积分数比)和炉顶压力有利于降低炉内温度，抑制炉料黏结；氢碳比由1.75提高至100%H
2
(体积分数)，DRI金属化率由0.93降低至0.84，提高还原气温度、流量和炉顶压力均可以提高DRI金属化率；同时，提高还原气温度和炉顶压力还可以提高H
2
利用率，但提高还原气流量会导致H2利用率降低。
近年来，世界各国为应对气候变化，都在积极推进CO
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减排工作，而钢铁工业的CO
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排放量占很高比例，约为全球人为CO
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排放量的7%，基于此，为缓解温室效应、实现碳中和，钢铁工业目前致力于大幅减少其CO
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排放，这使钢铁工艺面临重要的改革创新。欧洲的ULCOS项目、日本的COURSE50项目、德国的Carbon2Chem项目等都是聚焦于低碳炼铁、以氢代碳和富氢冶炼。由此可见，重视氢冶金工艺的研究，实现钢铁工业高效发展与低碳化转型是未来发展的必然趋势。
气基直接还原竖炉因其自身工艺特点，无需焦炭和烧结矿，采用由天然气、焦炉煤气等富氢气体重整产生的CO和H
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还原铁氧化物炉料，有利于降低CO
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排放，适宜氢冶金工艺的发展。
通过建立竖炉的数学模型来模拟混合还原气还原氧化铁球团过程中的物理化学变化、能质转换，可以较为准确地模拟实际情况。PARISI D R等通过建立一维数学模型对MIDREX工艺的竖炉反应器进行模拟，分析了DRI产量在50~110 t/h时DRI金属化率的变化以及还原气氢碳比(体积分数比)为1.0~1.5时对产量的影响。NOURI S等同样建立了一维数学模型，研究了还原气氢碳比为0.84~2.2、还原气中还原剂与氧化剂体积分数比为7~40、球团直径为1.2~1.8 cm等条件下对DRI金属化率的影响。AJBAR A等建立了竖炉的一维稳态模型，分析了还原气温度、氢碳比、甲烷含量以及包括固体炉料在内所有入口流量增加等因素的影响，为竖炉的工艺参数设计提供了一定的参考。
在上述文献回顾中，研究的还原气氢碳比均小于3，跨度较小，其结果均表明DRI金属化率均随氢碳比升高而降低，但并未给出解决措施，因此，为了进一步探究氢碳比对竖炉生产的影响，提高还原气中以氢代碳比例，并保证竖炉正常生产，本研究讨论了还原氢碳比由1.75提高至100%H
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(体积分数)时竖炉生产参数的变化，并通过改变还原气温度、还原气流量、炉顶压力等操作参数，平衡氢碳比升高对竖炉的影响，以期为不同还原气氢碳比的竖炉操作提供理论基础。
1)提高氢碳比导致炉内亏热，抑制还原反应，使DRI金属化率降低，氢碳比由1.75提高至100%H
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，DRI金属化率由0.93降低至0.84。因此，当氢碳比提高时，从竖炉操作上来看，应采取充沛的高温热量和充分的气固相接触等措施促进还原反应。
2)保证竖炉还原区高温热量可以采取提高还原气温度或流量的操作；当提高相同入炉还原气显热时，提高还原气温度可以得到0.944的DRI金属化率和0.311的H
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利用率，而提高还原气流量可以得到0.898的DRI金属化率和0.284的H
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利用率，因此，应优先考虑提高还原气温度的操作。
3)提高氢碳比和炉顶压力可以有效降低炉内炉料温度，从而抑制高温黏结，允许将还原气温度提升至更高水平。
4)提高炉顶压力可以有效降低气体速度，炉顶压力由50 kPa提高至500 kPa，气体速度约降低74%，延长了气固相接触时间，进而提高H
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利用率和DRI金属化率，但Umf和UT同样随炉顶压力提高而降低，为防止竖炉出现悬料并降低炉尘吹出的风险，炉顶压力应有一定极限，且随着还原气流量的增加而降低。
刘征建, 卢绍锋, 王耀祖, 张建良, 承强. 基于数值模拟的不同氢碳比气基直接还原竖炉操作策略[J]. 钢铁, 2023, 58(10): 42-50. LIU Zhengjian, LU Shaofeng, WANG Yaozu, ZHANG Jianliang, CHENG Qiang. Operation strategies of gas-based direct reduction shaft furnace with different hydrogen-to-carbon ratios based on numerical simulation[J]. Iron and Steel, 2023, 58(10): 42-50.
http://www.chinamet.cn/Jweb_gt/CN/Y2023/V58/I10/42
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