数值模拟φ(CO)∶φ(H_(2))对直接还原竖炉反应过程的影响

随着制氢技术的发展,气基直接还原竖炉使用绿色H_(2)作为还原剂进行生产变得可行。在诸多非高炉炼铁技术中,富氢直接还原竖炉工艺有望解决传统高炉长流程工艺CO_(2)排放高的问题。但富氢直接还原竖炉面临的共性问题是还原煤气中H_(2)体积分数过高时还原吸热导致炉内热量不足,从而影响煤气利用率和金属化率。如何调整还原煤气φ(CO)∶φ(H_(2)),使CO还原过程释放热量来弥补H_(2)还原吸收的热量,并配合其他操作参数及炉型结构的优化,实现充分利用还原煤气中物理能与化学能,从而提高煤气利用率及金属化率,成为富氢直接还原竖炉亟需解决的问题。建立了富氢直接还原竖炉二维CFD数学模型,考察还原煤气中φ(CO)∶φ(H_(2))对竖炉内温度场、浓度场分布的影响规律。数学模型的正确性通过与实际工厂数据对比得以验证。模拟结果显示,当还原煤气中H_(2)体积分数上升时,竖炉内温度整体持续下降。随着还原煤气中H_(2)体积分数逐渐升高,H_(2)利用系数逐渐下降、CO利用系数缓慢增长,煤气综合利用系数呈现先上升后下降的趋势,当H_(2)体积分数为60%时,综合利用系数达到最高,为0.28。随着H_(2)体积分数的升高,竖炉出口铁摩尔分数呈现先上升后下降的趋势,当H_(2)体积分数为40%~50%时,铁摩尔分数最高可达95.67%。实际生产过程中,还原煤气中φ(CO)∶φ(H_(2))维持在40%∶60%左右可获得较高的煤气利用率及产品金属化率。