曹玲玲，王宇飛，龍 俊，吉 林，韓驍陽，侯曉川

(1 浙江新時代中能科技股份有限公司，浙江 紹興 312369；2 江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

中國的鋼鐵產(chǎn)業(yè)是繼煤電產(chǎn)業(yè)之后我國的第二大CO2排放源，在當今發(fā)展低碳經(jīng)濟的迫切形勢下，為實現(xiàn)我國“30·60”、“雙碳”目標，亟需開發(fā)綠色冶金新技術，實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)減碳轉型[1]。目前，國內(nèi)外冶金領域均提出了涵蓋氫冶金的戰(zhàn)略規(guī)劃，包括歐洲的ULCOS、瑞典的HYBRT、日本的COURSE50項目以及我國的中晉礦業(yè)等，以氫代碳的已經(jīng)逐漸發(fā)展成為鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一[2]。其中，氫基豎爐已成為目前涉及氫冶金工藝的研發(fā)的熱點與焦點，廣受國內(nèi)外學者關注[3-5]。

典型氣基豎爐反應器內(nèi)以“對流移動床”的方式工作，但爐內(nèi)物理能與化學能利用的極度不匹配。針對上述問題，對豎爐反應器還原區(qū)域傳輸特性展開了相關研究，旨在通過上述研究，為氫基豎爐反應器的設計和操作優(yōu)化提供參考。

1 理論基礎與模型建立

1.1 豎爐反應器內(nèi)反應基礎

鐵在自然界中多以鐵氧化物的形式存在，為了得到可供使用的鐵，氣基豎爐直接還原鐵由氣體還原劑還原固態(tài)鐵礦石。鐵氧化物的還原是逐級反應進行的，CO和H2分別作為還原氣時的還原過程如下：

(1)CO還原鐵氧化物

T>843 K時：

第一階段 Fe2O3到Fe3O4的反應

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

(1)

第二階段Fe3O4到FeO的反應

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

(2)

第三階段FeO到Fe的反應

FeO+CO=Fe+CO2

(3)

(2)H2還原鐵氧化物

T>843 K時：

第一階段 Fe2O3到Fe3O4的反應

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O

(4)

第二階段Fe3O4到FeO的反應

Fe3O4+H2=3FeO+H2O

(5)

第三階段FeO到Fe的反應

FeO+H2=Fe+H2O

(6)

1.2 模型建立

在理論分析的基礎之上，本文采用ANSYS商務軟件對氣基豎爐還原段進行模擬，其模型示意圖如圖1所示，為簡化計算過程，采取二維軸對稱模型對氣基豎爐還原段進行模擬研究，并進行如下假設：

圖1 氣基豎爐模型圖

(1)還原段內(nèi)物料簡化為多孔介質；

(2)鐵礦石球團簡化為Fe2O3，鐵礦石在豎爐內(nèi)成活塞流勻速下降；

(3)忽略豎爐內(nèi)溫度對還原氣體與物料參數(shù)的影響；

(4)忽略壁面效應對還原氣的影響；

(5)忽略固體爐料間傳熱，僅考慮氣相與固相間的傳熱；

(6)模擬過程僅考慮物料與還原氣的直接化學反應。

1.2.1 基本控制方程

在上述假設基礎之上，模擬計算過程遵循的基本方程包括：連續(xù)性方程、質量守恒方程、能量守恒方程、動量方程、組分傳輸方程以及化學反應[6]。對于化學反應的熱效應，模擬計算過程中，化學反應熱以源項的形式加入能量方程中，化學反應速率常數(shù)由Arrhenius公式確定，確定不同階段表觀頻率因子和表觀活化能。

1.2.2 邊界條件

(1)固體計算區(qū)域條件：鐵礦石球團的初始溫度為300 K，還原段的物料設置為多孔介質[7]，孔隙率為0.3，黏性阻力系數(shù)為1.52×108 m-2，慣性阻力系數(shù)為16 963 m-1；

(2)入口邊界條件：氣體入口邊界采用速度入口，速度為5.5 m/s；

(3)出口邊界條件：氣體出口邊界條件設壓力出口；

(4)對稱邊界條件：計算域采用二維軸對稱模型；

(5)壁面邊界條件：無滑移速度邊界條件；豎爐的壁面與還原氣的對流換熱邊界條件為；忽略壁面熱量損失。

1.2.3 基本參數(shù)

本文選取Gilmore廠的Midrex豎爐反應器(美國俄勒岡州波特蘭市)為模擬研究對象[8]，涉及基本參數(shù)如表1所示。

表1 模型幾何參數(shù)

1.2.4 數(shù)值求解

豎爐幾何模型在ANSYS ICEM中建立，將計算域劃分為邊長2 cm的正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為51 516。數(shù)值求解過程在ANSYS Fluent中進行，采用瞬態(tài)求解器求解，動量方程與能量方程的離散方式采用二階差分格式，流動模型采用k-ε湍流模型，組分傳輸方程中設定化學反應，殘差精度控制在10-3范圍內(nèi)。在上述模型建立的基礎之上，模型的準確性通過實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了驗證[8]。

2 結果與討論

2.1 還原需氣量分析

本文以還原1 t直接還原鐵(DRI)為例子，分別對還原劑為純CO、CO∶H2=1∶1、CO∶H2=1∶1.5以及純H2條件的化學平衡需氣量進行計算，在1 093 K時不同還原劑條件下還原氣熱平衡需氣體量依次為：1 666.16 Nm3/t DRI、1 668.42 Nm3/t DRI、1 669.45 Nm3/t DRI以及1 670.47 Nm3/t DRI，化學平衡需氣量依次為：1 269.56 Nm3/t DRI、1 205.43 Nm3/t DRI、 1 193.41 Nm3/t DRI以及1 139.99 Nm3/t DRI。

由計算結果可知，在氣基豎爐直接還原中，不同還原劑條件下，熱平衡與化學平衡需氣量均為V化

2.2 反應器內(nèi)還原氣運動規(guī)律

在氫氣豎爐中，當氫氣從豎爐的入口進入后，會由于豎爐內(nèi)部的構造和氣體流動的規(guī)律，沿徑向向上流動。這個過程中，氫氣具有初始的動能，但是由于與固體物料之間的摩擦力等因素，其動能會逐漸轉化為軸向速度，并逐漸向豎爐爐頂出口轉向。在上述過程中，氣體在豎直方向上的流速比在水平方向上的流速快得多，因此在豎爐上升的過程中會產(chǎn)生彎曲，最終形成L型流線的形態(tài)，如圖2所示。

圖2 氫氣豎爐內(nèi)氣相流線圖

同時，氣相速度隨著徑向距離變化速率分布如圖3所示，隨著徑向距離的增加，由豎爐側壁方向向豎爐中心移動，氣相速度沿內(nèi)徑向逐漸衰減，在距離豎爐中心約1.25 m處趨于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，可推斷在氫氣豎爐中心附近存在一定的氣流遲滯域。

圖3 氣相速度隨著徑向距離變化

2.3 還原域內(nèi)溫度分布

溫度對氫氣豎爐反應器內(nèi)傳輸行為有重要影響，尤其對于還原反應動力學而言，其限制性環(huán)節(jié)與溫度分布緊密相關。因此，在上述運動規(guī)律基礎之上，本文對豎爐還原區(qū)內(nèi)溫度分布進行了模擬研究。圖4顯示了豎爐還原域在0.5 h后的溫度分布情況。初始階段，豎爐還原域內(nèi)的鐵礦石球團為常溫狀態(tài)。如圖4所示，高溫還原氣體進入豎爐還原域后，最高溫度出現(xiàn)在底部，而頂部的溫度最低。在豎爐還原域中心位置，溫度梯度高于爐壁，即中心位置的溫度變化更大。

圖5顯示了氫氣豎爐高度方向溫度隨時間的變化過程，由圖5可知，在氣固傳熱和還原反應共同作用下，4 h時還原段溫度分布達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時邊緣和心部的溫度略有差別，還原段高0～8 m內(nèi)爐料溫度趨于1 073 K，與還原氣進口溫度趨于一致僅在離頂部爐料進口0～2 m內(nèi)存在較大溫度梯度，這是由于還原區(qū)上部不斷加入的低溫爐料所引起的。

3 結 論

本文通過對氣基豎爐反應器還原域復雜行為其進行了探究，主要結論如下：

(1)還原劑為純CO、CO∶H2=1∶1、CO∶H2=1∶1.5以及純H2條件下熱平衡需氣量依次為：1 666.16 Nm3/t DRI、 1 668.42 Nm3/t DRI、1 669.45 Nm3/t DRI以及1 670.47 Nm3/t DRI，化學平衡需氣量依次為：1 269.56 Nm3/t DRI、1 205.43 Nm3/t DRI、1 193.41 Nm3/t DRI以及1 139.99 Nm3/t DRI，熱平衡是氣基豎爐內(nèi)實際需氣量的限制環(huán)節(jié)，打破還原氣物理熱的限制，降低氣體需求量，是實現(xiàn)富氫氣基豎爐能量高效利用的關鍵。

(2)氫氣豎爐內(nèi)還原氣由入口進入豎爐內(nèi)，沿徑向流動的同時會將初始動能迅速轉化為軸向速度，從而逐漸轉向豎爐爐頂出口，形成L型流線。氣相速度沿內(nèi)徑向逐漸衰減，在距離豎爐中心位置約1.25 m處趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在氫氣豎爐中心附近存在一定的氣流遲滯域。

(3)高溫還原氣體進入豎爐還原域后，最高溫度出現(xiàn)在底部，且還原域中心位置存在較大的溫度梯度，在氣固傳熱和還原反應共同作用下，還原段高0～8 m內(nèi)爐料溫度趨于穩(wěn)定。