HIsarna工艺回流室几何形状的改进及其对流动行为的影响

本文建立了HIsarna炼铁废气系统的三维计算流体动力学（CFD）模型，并通过实际工厂数据完成了模型验证，重点研究了三方面内容：废气系统的几何改进方案、该改进对操作参数的影响，以及几何改进对废气系统热损失、温度分布、碳转化和气相组成的作用。结果表明：改进后的几何结构会增大回流室墙体的热损失，进而改变回流室内的温度分布与物质组成；同时，改进后的几何结构更有利于提升CO-H₂混合气体和碳颗粒的转化率，降低回流室的有害排放。

HIsarna工艺是一种将铁矿石和煤直接装入反应器生产铁水的突破性新型熔融还原工艺。与传统高炉工艺相比，该工艺取消了炼焦与铁矿石造块（烧结和球团）环节，可从根本上减少20%以上的CO₂排放；若结合碳捕获与封存技术，CO₂减排幅度可进一步提升至80%。HIsarna工艺整合了塔塔钢铁公司的旋风转炉（CCF）技术与力拓公司最初开发的HIsmelt技术。2010年，塔塔钢铁欧洲分公司艾默伊登厂建成了一座基于HIsarna技术的试验工厂，铁水产能为8t/h，该试验工厂的主反应器与废气系统如图1所示。

细铁矿粉与纯氧一同被吹入CCF，以氧气作为氧化剂，部分燃烧从熔融还原容器（SRV）排出废气中的CO-H₂化合物。燃烧放出的热量为铁矿石的预还原与熔融提供热源，反应后的最终产物沉积在炉壁上，形成一层液膜沿炉壁滴入SRV的铁水池中。

吹入的部分铁矿粉会被烟气夹带，从CCF中逸出。根据工厂测量和模型预测，吹入CCF的矿粉中，有近10%会逸出进入废气系统。早期设计中，废气系统由垂直管道和焚烧炉构成，由焚烧炉燃烧有害化合物。改进后的设计在系统中新增了一个特殊部件，称为回流室（图2），实现了两项核心功能：

（1）通过吹入O₂并取消下游焚烧炉，燃烧从CCF排出剩余CO和H₂。

（2）利用新增的弯曲段和水平段捕获颗粒。熔融的预还原矿石颗粒一旦被FG夹带，就会撞击上壁并形成液膜，液膜会流回CCF，最终进入SRV。由于回流室大部分区域的温度仍高于预还原矿石的熔点，因此液膜可以保持液态。

图2改进结构被称为“狗腿”，可提高从CCF逸出颗粒的捕获效率。若要进一步提升捕获效率，可在“狗腿”的基础上改进并增设第二段弯曲，改进后的几何结构被称为“青蛙腿”（见图3）。

本文建立了HIsarna废气系统三维计算流体动力学（CFD）模型，并结合实际工厂数据完成了模型验证。该模型包含了CO-H₂混合气体和碳颗粒燃烧的详细反应机理与动力学数据。本研究采用该模型，分析增设“青蛙腿”形回流室后废气系统的运行性能。

本章仅对模型的建立与验证进行总结，模型涉及的所有方程、定义和常数均取自有限元分析软件的理论指南。在任何流体流动数值模拟中，都需要求解一组质量、动量、能量与湍流的守恒方程。为考虑化学/湍流的相互作用，本研究采用涡流耗散概念模型；采用拉格朗日离散相位法对颗粒行为进行建模，搭配随机跟踪模型（随机行走），通过瞬时流速对单个轨迹积分，以此研究颗粒的湍流分散效应。此外，采用对流/扩散控制模型模拟液滴蒸发，采用场焦氧化模型研究碳颗粒燃烧，该模型是未反应收缩芯模型的简化版本。

本研究结合Cuoci等人提出的详细动力学机理，以及Wen等人给出的动力学数据与表达式，开展CO-H₂混合气体燃烧与碳燃烧过程研究。

计算网格由多面体单元构成，全部计算共使用150万个单元格。与四面体、六面体网格单元相比，多面体网格的优势在于可在保持预测精度的同时减少单元格数量：相同计算域尺寸下，四面体网格生成的单元总数为710万个，是多面体网格的4.5倍。

边界条件数据取自试验工厂，为固定操作周期内的平均值。所有操作流量均依照试验工厂数据表中的常规流量（20℃、1atm条件下）标定，需转换为实际温度、压力条件下的实际流量后，才可以输入CFD软件，所得数据示于表1。

入口各组分采用非均匀分布。考虑到CCF产生的旋流运动影响，回流室入口处旋流数固定为0.6。碳颗粒流量为0.0282kg/s，平均粒径为12×10^-5m。

回流室墙体为包覆耐火材料的钢管，回流室上方墙体仅为钢管。材料参数见表2。考虑到墙体外层通冷却水，根据Pak-Cho关系式计算各冷却段的水侧换热系数。

采用基于有限体积法的CFD求解器ANSYS FLUENT商业软件对控制方程进行求解与耦合。通过耦合算法完成速度场与压力场的压力-速度耦合求解；守恒方程中的对流项采用二阶迎风格式进行离散化，最终将收敛准则设定为两次连续迭代间的相对误差不超过10^-4。

将模型预测得到的，以及“狗腿”几何形状实际测量得到的温度与成分分布数据，整理为沿系统中心线（长度方向）扫过的各横截面的平均值并绘制。可以看出，预测结果与实测工业数据吻合度良好。采用上述经过验证的模型，本文进一步研究了回流室几何形状的改进方案及其对废气系统性能的影响。“青蛙腿”几何形状的模拟范围为入口到C点，如图3（a）所示，水冷区未纳入本次模拟范围。

3.1 温度和成分分布

“狗腿”和“青蛙腿”几何形状回流室的温度与成分分布结果显示，“青蛙腿”设计的吹氧位置与“狗腿”几何形状相同，均位于较低位置，在回流室长度方向的起始段，两种设计的分布趋势一致。对于“青蛙腿”几何形状，由于回流室热损失更高，温度持续下降，最终烟气进入温度更低的风冷段，温差为210℃，如图4所示。

“青蛙腿”设计支持从两个不同高度吹氧，通过分析“青蛙腿”几何形状内部不同吹氧位置的温度与成分分布轮廓，即可看出两种设计的主要区别。采用下部吹氧时，回流室内部温度通常会比上部吹氧更高，这是一项显著优势：高温下CO和碳的燃烧速率更高。最终两种设计的回流室出口温度一致（B点和C点也相同），热损失也相近。由于“青蛙腿”设计流经炉墙的热损失更大，其不同测量点的平均温度低于“狗腿”设计。当采用上部吹氧时，回流室下部处于缺氧状态，导致未反应的CO和H₂燃烧被延迟；实际上，碳可分别与H₂O和CO₂反应生成H₂和CO，因此可以观察到回流室下部CO和H₂浓度升高。

3.2 碳和CO转化

如前所述，在“青蛙腿”几何结构下，整个回流室长度范围内的CO摩尔分数分布存在差异。该差异源于吹氧位置的不同。

当从下部、即距离入口3m处先期吹氧时，CO和碳颗粒进入回流室后会立即发生燃烧。由于“青蛙腿”几何结构的长度比“狗腿”更长，有害组分在回流室内的停留时间更长，与烟气的混合时间也更充足，这会提升回流室内部各测量点的CO和碳转化率。

从回流室上部吹氧时，CO和碳颗粒与氧气的燃烧转化过程会发生延迟。但碳仍可通过与H₂O和CO₂的反应完成转化，模型预测此时会出现CO的负转化（流量从91g/s增加至110g/s）。在到达氧气仓（长度为9.5m）之前，碳颗粒流量从28.2g/s降至23g/s，最大转化率为20%。

由于墙体散热，加上碳颗粒与H₂O-CO₂混合气体发生吸热反应，炉内温度持续下降，在烟气与吹氧点的氧气混合前，温度已降至1650K；与下部吹氧方案相比，该方案下氧气参与反应时的温度低得多，烟气和氧气混合时的温度仅为1945K。

因此，上部吹氧方案中，回流室内碳与氧气的反应温度更低，导致反应速率和转化率（52%）都更低，转化率比下部吹氧方案低35%。低温下未反应的碳逸出回流室后进入风冷区，会进一步降低烟气温度。此时碳颗粒仍可与氧气（以及H₂O-CO₂混合气体）反应生成CO，但上下段整体温度较低，CO燃烧的反应速率也更低。因此CO的消耗速率低于生成速率，会发生CO累积。此外，即使碳流量持续降低，最终仍有8%的碳颗粒经过C点进入水冷区，无法实现碳的完全转化，对应可以观察到CO流量升高（转化曲线下降）。进入水冷区前，C点处CO和碳的流量均高于其他设计方案；而由于到达C点前烟气温度已降至CO自燃温度（882K）以下，CO无法进一步发生转化。上述温度特性对“青蛙腿”几何结构的两种吹氧方案都成立，但对于“狗腿”设计，即使在C点之后温度仍高于自燃温度，CO转化可以持续进行。

对于下部吹氧方案，从回流室逸出的碳量低得多——上部吹氧方案碳逸出率为48%，该方案比其低13%，同时CO转化率已经达到96%。由于回流室排出的碳量更少，上下段内部生成的CO量很少，可安全燃烧，总转化率达95%，在B点和C点碳也已经完全转化。

综上，在去除有害物质的过程中，回流室的性能对整个系统的效果起到了关键作用。希望所有转化反应都能在高温的回流室内部完成，因此“青蛙腿”的几何形状就显得尤为重要。为避免有害物质排入水冷区，必须在C点前实现CO和碳的最大程度燃烧，最好是完全燃烧。根据模型预测，下部吹氧的“青蛙腿”几何结构可以实现这一目标，将CO和碳的转化率提升至最高水平。

3.3 进一步改进“青蛙腿”的几何形状

上部吹氧的“青蛙腿”设计会导致CO和碳颗粒排入水冷区，但通过进一步改进，该设计有望达到不弱于其他设计的性能。想要实现这一点，可以将回流室内部温度维持在尽可能高的水平。一种可行方案是增加耐火墙体厚度，以此减少回流室内部的热损失。本文开展了一组模拟，研究墙体厚度对上部吹氧“青蛙腿”几何结构下回流室性能影响。

转化温度、CO与碳分布以及流量结果表明，增加墙体厚度可以提升墙体隔热效果，进而升高回流室内部的局部温度，这会提升消耗速率，减少CO和碳排入低温区。回流室内部的碳转化率从原墙体厚度的51%，分别提升至墙体厚度为6cm和8cm时的60%和74%。由于增厚后的耐火墙体仍能维持高温，预测两种增厚方案都可以在到达C点前实现碳的完全转化。在回流室出口处，一氧化碳转化率整体处于较高水平，所有工况下均约为95%；但受回流室碳排放量较高的影响，仅当墙体厚度为8cm时，一氧化碳转化率能维持高位，墙体厚度为6cm和4cm时，转化率分别降至86%和83%。排出的碳仍会转化为CO，但由于上下段内部温度较低，CO的整体转化率会有所下降。

同样的改进也可以应用于下部吹氧的“青蛙腿”几何结构设计，以实现有害物质转化率的最大化。

升高回流室内部温度还能带来另一项好处。如前所述，将“狗腿”几何结构改为“青蛙腿”，主要目的是提高颗粒捕获效率。从CCF逸出的熔融矿石颗粒撞击墙体后，会在壁面形成液膜并回流至CCF中。要让颗粒被墙体有效捕获，需要使其保持液相（或半液相）状态；固态颗粒会从墙体反弹，被捕获的概率要低得多。

单个颗粒的物理状态分为液态、半液态或固态，由其成分决定：吹入CCF的颗粒主要成分为Fe₂O₃，Fe₂O₃会被还原为Fe₃O₄和FeO。根据预测，半液态或液态铁矿石对应的温度范围为1723-1872K，该范围对应纯Fe₂O₃的熔融温度区间。

若以原“狗腿”设计（墙体厚度为4cm）的最高温度计算，当温度降至1872K以下时，上部吹氧和下部吹氧的“青蛙腿”设计满足温度要求的长度分别为4.8m和5.8m。而“青蛙腿”设计的回流室总长度约为11.8m，结合预测的温度分布可知，大部分墙段都无法有效捕获颗粒。因此，增加墙体厚度可以提高墙体的颗粒捕获效率。若要研究不同设计的颗粒捕获效率，需要建立更精细的模型。

本文开发了三维模型用于研究HIsarna废气系统。目前，该模型已完成验证，并被用于探索回流室的进一步改进方案。将回流室的几何结构从“狗腿”改为“青蛙腿”，是在风冷室前的上段额外增加一个弯管。这项改进大幅提升了对从CCF逸出的预还原铁矿石颗粒的捕获效率。

本次研究重点考察该改进对CO和碳转化率，以及对温度和成分分布的整体影响，未聚焦颗粒捕获效果。“青蛙腿”几何结构可在回流室的不同位置吹氧，根据吹氧位置的不同，“青蛙腿”几何结构会对上述参数和分布产生显著影响。

与“狗腿”几何结构相比，上部吹氧的“青蛙腿”几何结构性能优于下部吹氧，可实现回流室内部及下游废气碳和CO转化率的最大化。

但采用上部吹氧方案时，整个废气系统的有害物转化率预计较低，这主要是因为回流室内部局部温度偏低，导致CO-碳混合气体的转化率下降，未反应部分进入低温区，最终温度降至CO自燃点以下，转化反应无法继续进行。根据这一结果可得出结论：回流室的性能对整个废气系统的性能起到重要作用。

文章中提到的上部吹氧设计存在的问题，可通过增加回流室内部墙体厚度解决。这种简单的改进能减少通过墙体的热损失，提高回流室的局部温度；温度升高后，回流室内部CO和碳的转化率随之提升，进而减少这类物质向低温区域的排放。