高炉喷吹粉煤与天然气混燃特性的CFD模拟与实验研究：热力学平衡与燃烧效率的量化权衡

为破解高炉炼铁过程中碳减排与燃烧效率难以协同优化的难题，研究人员通过CFD模拟与实验相结合，系统研究了天然气(NGI)与粉煤(PC)复合喷吹对风口-回旋区热力学状态及燃烧特性的影响。研究发现NGI虽提升风口气相温度15–20%并增加煤气氢含量20–30%，但过量喷吹会导致回旋区高温带缩减8–12%、PC燃尽率降低5–7%。该研究首次量化了NGI的热效益与燃烧效率的此消彼长关系，为高炉低碳化改造提供了关键数据支撑。

　　

在全球碳中和背景下，钢铁行业作为碳排放"大户"正面临严峻挑战。中国作为世界最大粗钢生产国，2023年产量达10.19亿吨，但传统高炉(BF)工艺依赖焦炭和粉煤(PC)的特性使其贡献了全国18%的CO₂
排放。虽然氢能冶金被视为减排突破口，但现阶段更可行的天然气(NGI)喷吹技术在实际应用中却存在矛盾现象：既能提升煤气还原性又可能恶化燃烧效率。这种"鱼与熊掌"的困境，正是北京科技大学等团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究要解决的核心问题。

研究团队创新性地构建了1:1高炉风口-回旋区三维模型，采用计算流体力学(CFD)模拟与实验室燃烧测试相结合的策略。关键技术包括：(1)基于实际钢厂数据的能量-质量平衡方程匹配NG/PC喷吹量；(2)多物理场耦合的湍流-燃烧反应模型；(3)可精确调控NG/PC比例的专用燃烧率测试装置。

【Model description】
通过建立包含NGI和PCI的复合喷吹模型，完整再现了高炉风口区域的流体动力学与化学反应过程。模型严格遵循某钢厂3200m³
高炉的实际几何参数，为后续量化分析奠定基础。

【Effects of variations in NGI volume】
当NGI从0增至80m³
/t时，风口气相温度提升15–20%，但回旋区高温带(>2000°C)体积缩减8–12%。PC燃尽率呈现非线性下降，最大降幅达6.8%。煤气中H₂
摩尔分数增加20–30%，CO却减少15–20%，形成独特的"氢增碳减"效应。

【Experiment device】
自主研发的燃烧测试装置证实，NG与PC存在竞争燃烧机制。NG喷吹量超过60m³
/t时，PC颗粒周围会形成"氢气屏障"，阻碍其与氧气的接触，这是燃尽率下降的微观机理。

【Conclusion】
该研究首次揭示NGI存在"临界喷吹量"(约40m³
/t)，低于此值时可兼顾热力学效益与燃烧效率。超过该阈值则需配合氧煤混喷等补偿措施。这一发现为高炉"渐进式脱碳"提供了精准调控窗口，对实现中国钢铁业2030年碳达峰目标具有重要指导价值。

研究团队特别指出，未来需重点解决NGI导致的回旋区"热力收缩"效应。通过优化喷枪结构实现NG/PC的梯度混合，或将成为突破当前技术瓶颈的新方向。这项来自中国学者的工作，为全球高炉低碳化改造提供了兼具理论深度和工业实用性的解决方案。