氫基豎爐反應(yīng)器還原域數(shù)值模擬研究*

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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(dāng)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(shù)，實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)減碳轉(zhuǎn)型[1]。目前，國內(nèi)外冶金領(lǐng)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(xué)者關(guān)注[3-5]。

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

1 理論基礎(chǔ)與模型建立

1.1 豎爐反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)基礎(chǔ)

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(yīng)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(yīng)

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

(1)

第二階段Fe3O4到FeO的反應(yīng)

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

(2)

第三階段FeO到Fe的反應(yīng)

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(yīng)

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O

(4)

第二階段Fe3O4到FeO的反應(yīng)

Fe3O4+H2=3FeO+H2O

(5)

第三階段FeO到Fe的反應(yīng)

FeO+H2=Fe+H2O

(6)

1.2 模型建立

在理論分析……