COREX熔化气化炉稳态数值模拟

2008年第6期宝钢技术1COREX熔化气化炉稳态数值模拟李海峰',王臣' ,邹宗树' ,林金嘉,周渝生2(1.东北大学,辽宁 沈阳110004; 2.宝钢股份公司,上海 201900)摘要:基于多相质量守恒、动量守恒和热量守恒开发了-维穗态的敷学模型,对熔化气化炉填充床进行模拟，自由空间和凤口区则采用静态平衡来进行计算。计算得出的渣铁温度、炉顶煤气温度及成分与工厂报道值相吻合。应用该模型能够研究床层高度、原料的成分和操作参数等对工艺过程的影响。关键词:COREX;教值模拟;熔化气化炉中图分类号:TF557文献标识码:B 文章编 号: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工艺是第一个实现工业化规模生产的按照冶金功能熔化气化炉可分为3个计算区熔融还原技术。现在正在运行的COREX- 2000 设域:填充床采用一维模型,自由空间和风口区采用备有4座,分别在印度金达尔(2座)、南非萨尔达零维计算,如图1所示。纳(1座)和韩国浦项(1座,但已经发展成FINEX)。2007 年11月宝钢罗泾厂的COREX-3000投产运行。COREX熔化气化炉承担着熔炼和造气的功能，是COREX工艺的核心设备。本文对COREX熔化气化炉进行了初步研究。与高炉相比,COREX熔化气化炉的模拟更加自由空间区城(零维)困难。高炉中所有原料在室温下加入,不考虑固相之间的传热;熔化气化炉的炉料温度相差大,需考虑固体间的辐射换热。另外, 煤挥发分的脱除填充床区城(-维)被认为是熔化气化炉的一个特色[1-2]。熔化气化m7T?tIdz炉和高炉虽存在上述不同特点,但成熟和完善的风口区域(平维)高炉模型可以为熔化气化炉数值模拟提供参考。中国煤化工区域示意围李海峰硕士研究生1982 年生现在 东北大学攻读硕士学位电话024 -83672219"MHCNMHGelingzesof the COREX melting gasifierE-mail lhifeng623@ 163. com20宝钢技术2008年第6期1.1 填充床区域模型表1填充床主要化学 反应方程式1.1.1 模型基本假设Table 1 Main reactions in the packed bed(1)气体和颗粒的流动遵循活塞流;化学反应方程式反应速率(2)忽略固体颗粒内部的温度梯度;FeO+ co- Fe+ CO2RFeO+ H2 =Fe+ H20(3)每种物料只有一个颗粒尺寸,且不随床C+CO2 =2CO层高度变化;C+ H2O=CO+ H2(4)液体向下的流动速度为常数并且与固体CaCO3 =CaO+CO2运动保持-致;CaMg(CO3)2 =CeCO, + MgO +CO2(5)物料连续加人，并且在炉内各颗粒均匀CO+ H20=CO2 +H2FeO+C=Fe +Co混合。1.1.2模型考虑的化学反应h=A + Bm,(3)熔化气化炉填充床的化学反应包括铁氧化物E,/R=C + DInm,(4)的还原焦炭气化、水煤气反应、碳酸钙煅烧、煤的1.1.3 模型基本方程挥发分脱除及裂解等。主要化学反应方程式见表单位时间内对单元体积(床层高度dz或Qz)1(文中所有符号含义及单位见文末“符号表")。内气体和固体进行物料平衡和能量平衡,对气体煤挥发分脱除采用Donskoi和McElwain提出进行力的平衡,得到以下方程式:的n阶模型来计算,反应速率如下:(1)气体和固体连续方程R=Y=koexp( -E/RT)(V*-V)° (1)出=(4)5. .(5)Rn=ZR(2)些_[1-o)4]c.(6)会年花表挥发分中Co, CO,H2, H,O, Tar;E,式中源项G。和C见表2。和k项是加热速率的简单函数,分别为:表2质量平衡方程的源项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]气相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]模型假设(4)保证了固相的连续方程也适用于液相。(2)气体热量守恒方程((x()-+(0a2)(S)(出]-(.w)(&R+Rua+R)+0.-O。 -O.} (7)(3)固体(液体)热量守恒方程(8)((Co(){-(-=-yj)(2[+()+e。-.-0.}(4)气体压降方程( Ergun方程)中国煤化工F_[150.0p(1-e)2S2 + 1. 75p(1MYHCNMHG(9)山(3132.0x10A,){ 36.026.0A,李海峰等COREX 熔化气化炉稳态数值模拟21.2自 由空间区域模型挥发分的裂解吸热与气体体积不断增大等因素都为简化模型,假定所有粉尘(C, FeO和脉石)对降低煤气的温度有贡献。从填充床顶部往下都在自由空间产生。粉尘中C全部来自块煤，3.5 m的区域内,炉料的平均温度增加缓慢。这FeO全部来自粉矿,脉石来自块煤熔剂和粉矿。是因为在这 段区域内发生炉料中水分的蒸发、煤形成粉尘的块煤中水分完全蒸发和挥发分脱除完焦油脱除和铁矿石间接还原等消耗了大部分气体全并全部裂解,剩余块煤中挥发分的一-半在自由传给固体的热量。由图2可见，直到风口上部空间脱除并完全裂解。形成粉尘的熔剂在自由空1.1 m处,炉料升温速率才有所加快。当炉料的间完全分解。所有粉矿被还原,且与入炉DRI的温度达到1250C(设定的熔化温度)时开始熔金属化率相同。返尘中C和喷吹的氧气燃烧生化,经过0.3 m的床层高度后炉料全部熔化。最成CO,气体中挥发分完全热裂解。根据假定条终熔体达到风口中心线的温度为1 600C。件,通过物料衡算得到进人自由空间的煤气量和3600组分;通过热量衡算得到煤气的温度,以及DRI、3300一solld3000...混煤熔剂和粉矿的温度。27001.3风口区域模型。2400区2100假定在绝热条件下从风口吹入的氧气全部与习18000半焦发生不完全燃烧反应，释放的化学反应热全15001200部用于加热生成煤气,求出理论燃烧温度这一重90要参数。根据文献假定参与反应的半焦和熔体温60度均为I 600C ,氧气(纯度99.5% )为25C ,由风←→7jτζδ7g床层高度/m口区域物料平衡和热平衡计算出风口煤气的成分和渴數据图2填充床内气体 与固体温度场Fig.2 Temperature profiles of gas2模型求解方法and solid in the packed bed通过整体模型得到熔化气化炉产生煤气的成图3给出了填充床内气体成分变化曲线。由分及温度,根据现场操作设定人炉物料温度和成于炉料平均温度较高,煤中的水分在距离填充床分作为自由空间的边界条件。自由空间模型计算顶部1.5 m处完全蒸发。床高为0.8 m处CO2开出填充床上端气体和固体温度、成分和流量,作为始产生,其浓度持续增加到达2 m处后保持不变。填充床顶部的边界条件，根据数学模型,采用四阶1. '标准Runge-Kutta法[3进行填充床数值计算,求o.9f解床内过程变量的轴向分布。这样所得的风口平0.8-x0.7面上的煤气流量、成分、温度及半焦温度的计算值直到与由风口区域模型计算得到的风口平面上的边界条件的值一致。饕0.420.30.23结果分析和讨论o.H,3.1 模拟结果算例图2为填充床内气体与固体的温度场。由图可见,从风口中心线位置沿轴线向上4.5 m,在这困3填充床内气体成分场段区域内由于气体和固体间存在巨大的温差,气Fig.3 Gas composition profiles in the packed bed体与固体(熔体)之间对流传热比较剧烈;煤气在这段炉体内的水当量较低,也是导致煤气的温度在床层高度为1 ~3 5 m段肉C0浓度迅速下降,随着床层高度增加而陡降的原因。床层高度达到与之中国煤化工。原因在于此4.5 m后由于煤的热解产生焦油等产物，导致煤段区均YHCNMHG发分中的氢脱气的水当量增加,使煤气的温度降低放缓。此外，除加速,产生大量的H2,同时煤气中还存在部分22左钢技72008年第6期CO2,煤气的总体积增加,新产生的气体稀释煤气700 r中CO,导致其摩尔分数随床层高度上升而逐渐降00 F低。在床层高度5.5 m以上,C0和H2摩尔分数二没有明显改变。1003.2操作参数影响分析对现场操作来说，床层高度不可能一-直保持恒定,因此,有必要研究- -下床层高度对炉料温度的影响。图4给出了3个不同床层高度下的炉料的温度场。床层高度降低导致物料在炉内的停留时间减少,因此炉料到达风口的温度会降低。从图中可以看出床层高度每降低0.5 m,熔体温度图4床层高度对炉料温度场的影响Fig4 Effect of the bed height on减少约50C。实际操作中床层高度的波动不可material temperature profile避免,现场数据显示铁水温度的偏差为土20C。模拟结果与现场数据相比有30C的误差。处完全蒸发;煤焦油在床层高度的4.5 m处完全脱除;床层高度为1 ~3.5 m段内CO浓度迅速下4结论降,H2浓度快速增加;在床层高度5.5 m以上，阐述了熔化气化炉区域模型的建立和求解过CO和H2浓度没有明显改变;在风口上部1.1 m程,应用模型分析得出以下结论:处炉料的温度达到1 250 (设定的熔化温度),(1)填充床区模型能够计算出炉体高度方向渣铁到达风口中心线的温度为1600C。的煤气的成分、温度和固体(液体)的温度场。研(2)床层高度每降低0.5 m,渣铁温度降低约剜券数瘪料中的水分在距离填充床顶部1.5 m50C。符号表A. : 高度时的床层横截面积,m2n单位床层体积颗粒总摩尔数,mol(3)式指敷前因子中线性近似常数压力,PaC,D (4)式中折算话化能近似值常 数气体吸收化学反应热速率,kJ/e混合气体热容,kJ/(kg. C)气固传热速率,J/eCo 气体i的热容,J/(kg.c)气相与炉壁热损失速率,kJ/s固体的平均热容,IJ/(kg.C)Q固体吸收化学反应热速率,kJ/sj物质的转化率Q.固相与炉壁热损失速率,k/s气体摩尔流率,mol/sR第i个反应的反应速率. mo/'a固体体积流率,m'/mS床层物料的平均比表面积,m-'气体流量,m2/%气体温度,K气体源项,mol/s固体温度,K固体源项,s-'t时刻滥出的煤中挥发分质量分数Hu k相固体的热焙,kJ/(kg●mol)煤中挥发分质最分数co, CO2. H, H20, Tar,Vol 及表1中8个反应气体中i摩尔分數代表Fe0,CaCO3. MgCO3,C单位床层高度,mFe2O,, FeO, Fe, C, CaCO, CaO, MgCO3, MgO距填充床顶端的距离,m加热速率(n)o i 物质的摩尔初始量,moli物质的密度, kg/m’mk 物质的摩尔量.mol气体黏度,Pa.参考文献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] 张铁， 阎家斌数值分析[M]. 北京:冶金工业出版社，nials tansecins B, 2003, (34B):103 -114.中国煤化工: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)