高炉低碳冶炼中富氢气体喷吹对煤粉燃尽及回旋区状态影响的数值模拟研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical simulation of effects of injection of different hydrogen-rich gases on burnout and raceway state during low carbon smelting in blast furnace

本文系统研究了高炉风口协同喷吹煤粉与不同富氢气体（天然气NG、焦炉煤气COG、氢气H2、回收炉顶煤气RTG、水煤气WG）对回旋区燃烧特性及煤粉燃尽率的影响。通过三维数值模拟发现，COG喷吹时气体流速最高（320 m/s），氢气注入可使回旋区峰值温度提升54 K，但平均温度普遍下降。研究为钢铁企业富氢气体喷吹工艺优化提供了关键数据支撑，对推动钢铁工业碳减排（CO2）具有重要指导意义。

　　

Highlight

模型描述

通过ANSYS-Fluent 2024R2软件，本研究稳恒态模拟了等量喷吹条件下，仅喷煤（PCI）及五种富氢气体（NG、COG、H₂、RTG、WG）与煤粉协同喷吹时高炉内的热质传递现象。模拟重点包括：（1）五种富氢气体与煤粉颗粒在风口及回旋区的湍流扩散；（2）气固反应及热质传递过程。

结果与讨论

为揭示等量喷吹不同富氢气体对煤粉燃烧效率及回旋区冶炼状态的影响，本研究对比了六种工况（案例1：仅PCI；案例2-6：PCI分别协同喷吹NG、COG、H₂、RTG、WG）的模拟结果，重点分析了速度分布、温度场、产物气体分布及煤粉燃烧行为的差异。

结论

本研究开发了工业高炉下部三维CFD稳态模型，对比了仅PCI与喷吹等量NG、COG、H₂、RTG、WG对风口及回旋区反应现象、速度分布、温度分布、气体产物分布及煤粉燃尽率的影响。主要结论如下：

（1）与仅PCI相比，NG、COG、H₂、RTG和WG喷吹均显著改变了气体流速分布模式。