天然气与焦炉煤气协同富氧喷吹对高炉煤粉燃烧及回旋区状态的数值模拟研究

本研究针对高炉喷吹富氢气体（NG/COG）与煤粉（PCI）协同作用机制不明确的问题，通过建立三维回旋区模型，揭示了不同NG、COG与富氧比例对煤粉燃尽率（降低1.4-3.5%）、回旋区温度场（峰值升32-78K，平均降8-39K）及气体产物（H2增产1.1-3.6%）的影响规律，提出优化煤粉粒径与冷却效率的新策略，为钢铁行业低碳冶炼提供理论支撑。

　　

钢铁工业作为社会发展的支柱产业，其高炉炼铁工艺因技术成熟、成本低廉而占据主导地位，但伴随的CO₂排放量占工业总排放的6.7%，其中高炉工序能耗占比高达70%。在“双碳”目标下，如何通过氢能替代碳基还原剂成为行业研究热点。然而，现有研究多聚焦单一富氢气体（如天然气NG或焦炉煤气COG）与煤粉（PCI）的交互作用，对NG、COG与富氧三者协同影响煤粉燃烧效率及回旋区冶炼状态的机制仍存空白。为此，中国某高校团队通过三维数值模拟，首次系统量化了多气体协同作用对高炉关键参数的影响，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用ANSYS-Fluent 2024R2构建包含风口、吹管、回旋区及焦床的三维稳态CFD模型，基于热平衡理论设计7种混合喷吹方案，对比分析了速度场、温度场、气体摩尔分数（CO/CO₂/H₂）及煤粉燃尽率等参数。

速度场与温度场特征
模拟结果显示，相较于单一PCI喷吹，NG与COG的引入使回旋区峰值温度分别提升32-64K和41-78K，但平均温度下降22-39K和8-32K。这一“峰升均降”现象源于富氢气体燃烧的快速放热特性与吸热反应的耦合作用。

气体产物分布
NG喷吹使CO与CO₂摩尔分数降低1.7-4.9%，H₂产量增加2.2-3.6%；COG喷吹则对应降低CO/CO₂ 1.2-3.6%，提升H₂ 1.1-2.8%。富氧4%时，NG与COG喷吹的回旋区平均温度分别上升194K和215K，燃尽率提高3.8%和3.7%，证实富氧可有效补偿氢能喷吹的热损失。

煤粉燃烧优化
针对燃尽率下降问题，提出通过优化煤粉粒径分布提升燃烧效率的创新方法。同时指出需强化风口出口区及回旋区上半部炉墙的冷却效率，以延长高炉寿命。

该研究首次阐明NG、COG与富氧三者交互作用对高炉冶炼状态的量化影响，为钢铁企业制定多气体协同喷吹方案提供数据支撑。提出的热补偿策略与设备优化建议，对推动氢能冶金技术工业化应用具有重要实践意义。