煤灰熔融对高炉脱碳的影响：一项不使用天然气注入和使用天然气注入的研究

《Fuel》：The impact of coal ash fusion on blast furnace Decarbonization: A study without and with natural gas co-injection

煤在富燃料条件下与高温氧化剂反应的煤转化效率及数值模拟研究。实验采用三组煤与不同浓度甲烷共注，发现煤转化率随甲烷注入量增加而降低，最高达57%。数值模拟显示初始64%的转化率差异源于未考虑ash fusion，整合后预测值与实验吻合。研究指出85%的飞灰粒团温度超过熔融点，较无甲烷注入时提高23%，揭示了ash fusion温度对煤转化效率的显著制约。XRD分析证实飞灰熔融现象，并计算得出40 Nm3/tHM甲烷注入可使CO?排放减少49 kg/tHM。

　　本研究聚焦于高炉条件下煤与天然气共喷射时的煤转化行为，特别是在燃料富集的环境下，探讨了热氧化剂（约1060°C）流对煤转化效率的影响。该研究通过实验与数值模拟相结合的方法，揭示了煤转化效率与共喷射气体之间的复杂关系，尤其是在考虑煤灰熔融效应的情况下，煤转化效率的变化趋势更为清晰。此外，研究还探讨了共喷射对减少二氧化碳排放的潜力，以及如何通过优化喷射参数实现更高效的煤转化和更低的排放。

高炉仍然是铁生产的主要方式，为全球约70%的热金属需求提供支持。在传统高炉操作中，煤通常作为辅助燃料与焦炭共同使用，以降低焦炭消耗并减少碳排放。近年来，随着对低碳技术的关注日益增加，研究人员开始探索将氢气、天然气等气体燃料作为辅助能源进行共喷射的可能性。这些气体燃料的引入不仅改变了高炉内的燃烧模式，还对煤的转化效率产生了显著影响。

在高炉的风口和气流区域，煤的转化过程受到多种因素的影响。首先，煤颗粒的停留时间非常短（10–50毫秒），这限制了其在高温环境下的充分转化。其次，煤的转化效率与煤颗粒的大小、煤的特性（如挥发分、焦炭含量、灰分组成）密切相关。此外，煤颗粒在气流区域的分布情况也对转化效率产生重要影响。如果煤颗粒能够更均匀地分布，可能会提高其与氧气的接触面积，从而促进燃烧反应。

为了更深入地研究这些因素，研究人员设计了一种缩放实验装置，模拟高炉的风口和气流区域条件。该装置采用恒定停留时间缩放方法，确保煤颗粒在实验中的停留时间与实际高炉中的气流区域条件相似。实验中分别进行了三种情况的测试：仅煤喷射、煤与20 Nm3/tHM天然气共喷射、以及煤与40 Nm3/tHM天然气共喷射。这三种情况结合了高炉中的氧气浓度和流速，同时保持高温（1060°C）不变，以确保实验条件与高炉工艺的可比性。

实验结果表明，在三种情况下，煤颗粒的平均转化率分别为57%（仅煤喷射）、53%（煤与20 Nm3/tHM天然气共喷射）和41%（煤与40 Nm3/tHM天然气共喷射）。这些结果还包括了煤颗粒在气流区域中回流对转化率的影响。相比之下，3D计算流体力学（CFD）模拟的结果则显示，在不考虑煤灰熔融效应的情况下，三种情况的煤转化率基本保持在64%左右。然而，当将煤灰熔融效应纳入模拟时，CFD模型的预测结果与实验数据高度吻合，表明煤灰熔融温度对煤转化效率具有显著影响。

进一步的分析表明，当注入最高水平的天然气（40 Nm3/tHM）时，实验中收集的残留物中约有85%的质量达到了煤灰熔融温度以上。而在不注入天然气的情况下，只有62%的残留物达到这一温度。这一结果强调了煤灰熔融温度在煤转化效率中的关键作用。为了验证煤灰熔融的存在，研究人员通过X射线衍射（XRD）分析实验中收集的残留物，并将其与已知熔融样品进行比较，以确认煤灰的熔融状态。

此外，研究还探讨了在高炉操作中，煤转化率的降低对减少二氧化碳排放的影响。在40 Nm3/tHM天然气喷射的情况下，实验表明二氧化碳排放量的减少机会有所下降，预计每吨热金属（tHM）的排放量将减少49千克。这一发现为高炉操作中如何平衡煤转化率与碳排放控制提供了重要参考。

在实验和模拟的基础上，研究人员还分析了不同喷射参数对煤转化效率的影响。例如，一些研究发现，随着天然气喷射量的增加，煤的转化率会下降，而增加氧气浓度则有助于提高转化率。这些结果表明，气体燃料的喷射不仅影响煤的燃烧过程，还对整个高炉的热平衡和化学反应产生重要影响。因此，优化喷射参数对于提高煤转化效率和降低碳排放至关重要。

为了更系统地研究这些影响，研究人员建立了3D稳态数值模型，并将煤灰熔融效应作为限制煤转化率的关键因素纳入模型。该模型成功预测了随着天然气喷射量的增加，煤转化率呈下降趋势。这一结果与之前的一些研究存在差异，例如，某些研究认为煤转化率会随着天然气喷射量的增加而提高。这种差异将在结果与讨论部分进行详细分析。

在实验和模拟的基础上，研究人员还探讨了不同喷射参数对煤转化效率的影响。例如，一些研究发现，随着天然气喷射量的增加，煤的转化率会下降，而增加氧气浓度则有助于提高转化率。这些结果表明，气体燃料的喷射不仅影响煤的燃烧过程，还对整个高炉的热平衡和化学反应产生重要影响。因此，优化喷射参数对于提高煤转化效率和降低碳排放至关重要。

为了更系统地研究这些影响，研究人员建立了3D稳态数值模型，并将煤灰熔融效应作为限制煤转化率的关键因素纳入模型。该模型成功预测了随着天然气喷射量的增加，煤转化率呈下降趋势。这一结果与之前的一些研究存在差异，例如，某些研究认为煤转化率会随着天然气喷射量的增加而提高。这种差异将在结果与讨论部分进行详细分析。

此外，研究还探讨了在不同喷射参数下，煤转化率的变化对高炉整体运行的影响。例如，一些研究发现，当同时降低煤喷射量并增加气体燃料喷射量时，煤转化率的变化趋势较为复杂。这表明，仅调整喷射量可能不足以达到理想的煤转化效果，还需要综合考虑其他因素，如氧气浓度、煤颗粒的分布情况等。

为了验证这些假设，研究人员还进行了实验和模拟的对比分析。实验中收集的煤残留物通过XRD分析确认了其熔融状态，而模拟结果则表明，在考虑煤灰熔融效应的情况下，煤转化率的变化趋势与实验数据一致。这表明，煤灰熔融温度是影响煤转化效率的关键因素之一。

总的来说，本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，揭示了煤与天然气共喷射时的煤转化行为，并强调了煤灰熔融温度在这一过程中的重要性。研究结果不仅为高炉操作中如何优化喷射参数提供了理论依据，还为减少碳排放和提高能源利用效率提供了实践指导。未来的研究可以进一步探索不同喷射参数对煤转化效率的影响，以及如何在实际高炉操作中应用这些研究成果。