氢冶金竖炉还原域的数值模拟分析.docx

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1、氢冶金竖炉还原域的数值模拟分析目录摘要1?前言1?氢冶金竖炉还原段数值模拟3?模型与参数3?控制方程4?计算域与条件设置4?网格划分4?边界条件4?结果与讨论5?氢冶金竖炉还原域气固换热过程的数值分析5?还原域温度场分布分析5?还原域气体成分分布分析6?氢冶金竖炉还原域铁氧化物的数值分析8?数值模拟结果与理论计算分析9?结论与展望10摘要利用现有竖炉设计和生产经验，借助Ansys软件对氢冶金竖炉还原域进行数值模拟分析，重点研究纯氢在高温还原条件下的工艺优势。结果表明，还原反应沿着氢还原竖炉进行时，呈现出气态反应物含量降低而气态产物含量增加的变化趋势；同时，还原反应主要集中在还原域的中下部，即0

2、.52.0m的高度范围。前言我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，严重依赖煤基化石能源，这是导致我国钢铁产业高能耗、高碳排放的首要因素。绿色发展水平与生态环境需求不匹配已成为钢铁工业面临的主要矛盾。降低CO2排放强度是钢铁产业亟待解决的难题，也是国家实现碳中和的重大战略需求。氢能被认为是无碳经济的“关键之钥，将氢能用于钢铁制造是钢铁产业优化能源结构、工艺流程和产业结构，彻底实现低碳绿色可持续发展的最有效途径。相比高炉-转炉长流程，基于氢冶金的气基竖炉直接还原-电炉短流程可节省能耗40%、减少碳排放50%,是欧美日等先进产钢国研发的热点，相关的氢冶金规划主要有：日本COURSE50富氢还原炼铁、欧

3、盟U1COS计划U1CORED富氢气基竖炉直接还原和氢气还原炼钢、美国AIS1氢气闪速熔炼、瑞典HYBRIT全氢气基竖炉、韩国COO1STARMidrexH2、H2FUTURE等。近年来，我国氢冶金技术也取得了一定进展，辽阳华信、中晋太行、河钢、日钢、宝钢等均在筹建氢冶金气基竖炉生产线或示范工程。但我国“缺油少气的资源禀赋一直是限制气基竖炉直接还原技术发展的主要原因。研究人员基于我国的资源和能源供应条件，突破了氢基气基竖炉直接还原技术、氢冶金条件下的超纯冶炼技术、制氢-氢还原-电炉冶炼全流程集成技术，研制出气基竖炉直接还原装备、还原气加热装备，研发了多项开拓性成果，取得了如下创新和技术进展：(

4、1)高品位铁精矿制备技术。基于河北、山西、吉林、辽宁、山东、湖北、安徽等国内磁铁矿资源(30亿吨)，成功开发高品位铁精矿(TFe70.5%、SiO22.0%)制备技术和设备，建成了年产10万吨高品位铁精矿示范线，吨高纯铁精矿生产成本仅为5060元。(2)氢冶金气基竖炉专用氧化球团制备技术。通过国内多地高品位铁精矿的氧化焙烧试验系统研究，制备的氧化球团TFe66%抗压强度2000N耐磨性指数15%还原膨胀指数15%,性能指标完全满足氢冶金气基竖炉要求。(3)气基竖炉直接还原关键技术。研究了不同氢碳比、温度、气氛等工艺条件对直接还原的影响，揭示了氢冶金条件下竖炉内多场耦合作用机制，形成氢冶金气基竖

5、炉直接还原理论与技术。还原产品为面向高端金属材料制造的洁净钢基料，产品指标达到TFe92%P0.09%S0.003%的先进水平。(4)煤制气-富氢竖炉示范工程设计。在辽宁省和辽阳市相关部门的支持下，筹建富氢竖炉-电炉短流程示范工程，已完成整体工艺系统和工程设计，自主设计开发了加热炉、气基竖炉核心装置，形成了总体工程方案一套、核心设备图纸两套，并申请授权多项国家发明专利。氢冶金直接还原短流程CO2、SO2、NOx、烟粉尘比高炉-转炉长流程分别约减排50%、30%、70%、80%以上。氢冶金竖炉还原段数值模拟由于还原反应主要发生在还原段部分，本文将针对氢冶金竖炉的还原域进行数值模拟分析，模拟计算的

6、流程如图1所示。还原域初始阶段假设铺满铁矿石球团，随着高温的还原气体自下而上通入，物料被逐渐加热，还原反应逐渐开始(Fe2O3Fe3O4FeOFe)O图1数值模拟流程图模型与参数本文模型的建立采用AnsysWorkbench中的Space1aim直接建模软件。由于氢还原竖炉为气固逆流反应器，矿料填充区域是一个旋转对称结构，为了缩短仿真时间以及节约计算资源的消耗、提高计算速度，故将氢还原竖炉还原段的三维仿真模型简化成二维轴对称计算域，模型如图2所示，并做出以下假设:750mm(a)氢还原竖炉反应器；(b)氢还原竖炉三维仿真模型；(b)竖咤为映明前缠族翻h%.桁图2氢还原竖炉模型(1)由于竖炉是连

7、续流反应器，因此考虑流动是稳态的。(2)将物料铁矿石球团的成分简化为Fe2O3o(3)将铁矿石球团简化为多孔介质模型。(4)在实际生产过程中，颗粒的移动速度通常为12mh,因此可将物料看作为固定床。(5)只考虑气固间的传热，不考虑炉料间的传热。(6)忽略铁矿石球团与还原气的相关物性参数随着温度的变化。(7)数值模拟仅考虑含铁物料与氢气的直接化学反应。控制方程氢冶金工艺降低能耗的研究至关重要，因此采用数学模型来研究有效的节能解决方案。本文进行数值模拟求解过程中所遵循的基本方程包含了连续性方程、质量守恒方程、能量守恒方程、动量方程以及相关化学反应。计算域与条件设置国翻网格划分本文采用Ansys19

8、.2有限元分析软件下的Mesh模块对上述建立的二维轴对称模型进行网格划分，将氢还原竖炉的还原域二维轴对称模型划分为由若干个四边形单元组成的网格区域。氢气竖炉还原域的计算区域如图2(C)所示。根据网格信息统计，观察到网格正交质量均值为0.99865,倾斜度均值为0.024414,依据网格质量评估信息表，本文划分网格质量良好。国弱边界条件氢冶金竖炉还原计算域的边界条件见表Io表1氢冶金竖炉还原计算域的边界条件项目温度压力气体入口Tg=Tgtin气体出口.g=Pg.ot壁面ff-=A(11oo)zaPr、=0orTipo对称轴=0rT=0dr固体入口T8=s.in固体出口先用科班维%匐炀折?.结果与

9、讨论?.1.氢冶金竖炉还原域气固换热过程的数值分析?.1.1.还原域温度场分布分析不同模拟时刻氢气竖炉还原域气固换热过程温度场分布如图3所示，图中分别为1、2、3、4h的模拟结果。未注入高温还原气体之前，还原段初始阶段设铺满铁矿石球团，为常温状态；随着高温还原气体出自下而上持续通入，气体上升过程中与炉料发生对流换热和吸热反应，其温度在轴向上逐渐降低。从温度分布云图可以看出，最高温度出现在氢还原竖炉还原域底部，即高温还原气进入的位置，最低温度出现在氢还原竖炉还原域顶部；竖炉还原域中心位置的温度梯度高于炉壁，但随着反应时间的增加，还原段的温度分布由不稳定状态逐渐趋于稳定状态。反应初阶段通入的氢气温

10、度较高，经过预热后铁矿石温度和还原气体温度有较大温差，即气体和固体温度存在很大偏差，与实际反应情况相符合，验证了模型的准确性。基于真实的工业生产数据，本文选取文献中研究最多的工厂之一进行分析，将Gi1more工厂的生产数据（DR1产量为264th）与模型结果进行比较，还原气入口温度为1203K,炉顶气体出口温度为692K,温度分布沿竖炉高度逐渐降低，其差异在于气体组分的不同，但结果总体是令人满意的。在气固传热和还原反应共同作用下，最终气固温度场达到稳态，但在炉料进口附近仍有明显的温度梯度，这是由于不断加入的冷炉料所导致的。温度/K(a) .I273.00I1175.55II078.09980.

11、641883.18785.73688,27590.82493.36395.91298.45温度/K(c)1273。II175.70fI078.40981.10I1683.60786.50689.20591.90494.60397.30300.00温度ZK(b)i273.001175,70107840981.10883.80689.20494.60I397.30温度/K(a)1h；(b)2h；(c)3h；(d)4h.图3不同模拟时刻氢气竖炉还原域气固换热过程温度场分布?.1.2.还原域气体成分分布分析当竖炉还原域入口还原气体为纯氢气，入口还原气体温度设为1273K,随着还原反应的逐步进行，还原段

12、气体质量分数分布发生显著变化，主要涉及出和H2O质量分数的变化，结果如图4所示。不同时间(30、60、90、120、150min)时的入炉还原气体比沿竖炉还原域高度的质量分数变化如图5所示。随着时间的变化，气体变化速率呈现一个减缓的趋势，因此合理设置氢冶金竖炉反应器还原域的相关参数可以显著提高整个工艺流程的还原度，减缓原料的消耗，达到最优效率。高温的还原比进入还原域之后，向上运动的同时与球团矿发生相应的物理和化学反应，随还原域高度逐渐增加，氢气质量分数呈现大幅下降的趋势，而后下降趋势逐渐减缓。因为本文为开发建立万吨级氢冶金炼铁设备提供分析参考，所以等比例缩小竖炉尺寸，发现在从竖炉还原域底部到与

13、其距离逐渐增加的一定范围，图5不同时间时炉顶气体HzO沿竖炉还原域高度的质量分数变化大于还原域顶部。可见，竖炉还原域在高温还原气尚未被球团矿冷却的情况下还原效率最佳。DaCoStaAR等指出质量分数为6O%H2还原气体条件下，温度升高加快了还原速率，而本文的研究也证实高温还原气体可以提高还原度，增大还原效率这一结论。100806040200%CH00.51.0152.02.53.0还原域高度的还原域高度%XO-H图4不同时间时还原气体电沿竖炉还原高度的质量分数变化图5不同时间时还原气体H2。沿竖炉还原高度的质量分数变化不同时间(30、60、90、120、15Omin)时炉顶气体出0沿竖炉还原域

14、高度的质量分数变化如图6所示，可以看出其变化趋势与比截然相反，即随着还原域高度的增加，气相组分水蒸气的质量分数呈增加的趋势。水蒸气为氢气还原球团矿的气体产物，随着还原气体自下而上进入竖炉，在氢气入口处单位体积氢气的浓度比较大，单位时间内与铁矿石球团的反应速度较快，生成水蒸气的速率相对较大。综上所述，当还原反应沿着氢还原竖炉进行时，气态反应物的含量降低而气态产物的含量增加，如图6所示。00.51.01.52.02.53.0还原域高度图6山/&0沿竖炉还原域高度的质量分数变化?.2.氢冶金竖炉还原域铁氧化物的数值分析用H2作为还原剂还原氧化铁(Fe2O3)时，固体产物主要为Fe3OcFeOFe,各

15、固相含量沿着竖炉的径向几乎没有什么变化，而沿着竖炉高度的变化较为明显。为了进一步清晰地显示各固相反应速率的变化情况，提取氢冶金竖炉还原域轴线上固体的含量。图7所示为某一时刻铁氧化物沿着竖炉还原域高度的含量变化，由于反应为逐步进行，可以看出在该模拟时刻还原域下部区域Fe2O3已经几乎全反应为Fe3O4,此时Fe2O3Fe3O4反应速率远远高于其他两个反应阶段，为放热反应；该时刻还原域下部产物含量由多到少依次为Fe3OcFeO、Fe、Fe2O3o但根据曲线图的曲率可知，铁矿石的大部分还原反应主要集中在还原域的中下部，即052.0m高度处，高温条件下还原反应速率较高，而还原域中上部的反应较弱，归因于该时刻未达到反应所需的温度环境。应伟峰在煤气流还原条件下的COREX预还原竖炉仿真阶段得出铁矿石的还原集中在炉中下部区域，与本文研究结论一致。?.3.数值模拟结果与理论计算分析还原气