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廢塑料入爐噴吹的數值模擬研究

文檔作者：董樹史巖彬耿嘯文檔來源：齊魯工業(yè)大學		點擊數：	更新時間： 2021年02月16日
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Vo1．35 No．1
Jan．2016
冶金能源
ENERGY F0R METALLURGICAL INDUSTRY
廢塑料入爐噴吹的數值模擬研究
董樹史巖彬耿嘯
(齊魯工業(yè)大學)
摘要基于高爐噴吹混合燃料的方法，探究廢塑料作為燃料在高爐內的作用。以某2536m
高爐為研究對象，將噴人的煤粉及塑料作為粉相，分析混合燃料的水分、灰分、揮發(fā)分和固
定碳等化學指標，采用高爐高溫區(qū)熱平衡分析法，計算高爐單一噴吹和}昆合噴吹條件下的焦
比，對高爐內噴吹過程進行模擬研究。計算機模擬結果表明，將煤粉與廢塑料混合噴吹降低
了高爐焦比，提高了煤的利用率。
關鍵詞高爐廢塑料混合噴吹
Numerical simulation of waste plastic injection in blast furnace
Dong Shu Shi Yanbin Geng Xiao
(Qilu University of Technology)
Abstract Based on the method of blast furnace injection the mixing fuel，the effect of waste plastics
as fuel in blast furnace injection was explored．The 2536m blast furnace as an example，considering
the pulverized coals and plastics as powder phase，moisture，ash，volatile and fixed ea~on etc．The
high temperature zone of blast furnace heat balance analysis method was used to calculate the coke ratio
of single injection and mixing injection，and the process of blast furnace injection was studied．Computer
simulation results show that the mixture injection of pulverized coal and waste plastic reduce coke
ratio and improve the utilization rate of coa1．
Keywords blast furnace waste plastics mixed injection
廢塑料對環(huán)境造成的污染分為“視覺污染”
和“潛在危害”兩方面?！耙曈X污染”是指散落
在自然界中的塑料廢棄物對城市環(huán)境、景觀的破
壞，如散落在自然環(huán)境、鐵道兩旁、江河湖泊的
聚苯乙烯發(fā)泡塑料餐具，漫天飛舞或懸掛枝頭的
薄塑料袋，給人們的視覺帶來不良刺激。社會上
己經對塑料的“視覺污染”有了比較深刻的認
識?！皾撛谖：Α笔侵杆芰蠌U棄物進入自然環(huán)境
后難以降解而帶來長期的深層次環(huán)境問題。¨J
將廢塑料作為燃料與煤粉混合再向高爐內噴
吹，有效地處理了廢塑料對環(huán)境的污染 J。高
爐噴吹用煤是由有機物和不可燃水分及無機灰分
構成的，有機物在受熱時會析出揮發(fā)分，揮發(fā)分
析出后，剩余物稱為半焦或殘焦，主要成分是固
定碳。高爐噴吹對煤的化學性能有一定的要求，
高爐混合噴吹同樣對煤與廢塑料的混合物的化學
性能有一定的要求 J。
針對高爐內的噴吹過程進行數值計算和計算
機模擬，將噴人煤粉和廢塑料作為粉相進行研
究，得到混合噴吹的焦比、回旋區(qū)內的溫度、
0：的質量分布、CO的質量分布和CO 的質量分
布等結果。
國家自然科學基金，編號21203112；濟南市高校院所自
主創(chuàng)新計劃，編號201401227。 l 高爐噴吹煤與廢塑料混合燃料的理論分析
收稿日期：2015—09—15
董樹(1989一 )，碩士生；250353山東省濟南市。 1
． 1 廢塑料的成分分析
12
冶 金能源
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
Vo1．35 No．1
Jan．2016
塑料的主要化學成分是高分子碳氫化合物， 50％左右 。塑料大致組成如表1。
密度一般很小，僅為鋼的14％ ～25％ ，鋁的
表1 塑料的組成
對聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)進行裂解
反應，并分析反應后產物的成分(見表2)。由
表2可知，對PE、PP而言，氣體收率隨溫度升
高而增加；裂解氣體中，氫氣、甲烷、乙烷、乙
烯、丙烷、丙烯含量隨溫度升高而增加，碳數為
4、5的烴類含量隨溫度升高而降低，這是由于
烴類發(fā)生二次反應，裂解為低碳數的烴類。裂解
氣體中重成分含量降低而輕成分含量相對升高，
且同一碳數的烯烴含量高于相應的烷烴 。
表2 熱解溫度與氣體收率和成分的關系 ％
1．2 高爐混合噴吹條件下的焦比計算
以2536m 高爐2005年熱平衡測定基礎數據
為依據 ，計算噴吹煤和廢塑料}昆合燃料條件
下的焦比。其中高爐利用系數77=2．37t／(m d)；
爐渣堿度R；1．15；每噸生鐵用料：人爐礦
1654kg，石灰石20kg，爐塵量14kg。煤和廢塑
料混合樣選擇廢塑料比例為25％ ，混合溫度為
200℃ ，混合燃料的燃燒性能較好 J。高爐的
實際噴煤比為112kg／t，因此，在計算噴吹煤與
廢塑料混合燃料條件下的焦比時，煤比定為
84kg／t，廢塑料定為28kg／t。高溫區(qū)氫的利用率
取0．51。高爐冶煉條件如表3，生鐵成分(質量
分數)見表4，高爐熱風參數見表5。
Vo1．35 No．1
Jan．2016
冶 金 能 源
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 1 3
表5 高爐熱風參數
利用高爐高溫區(qū)熱平衡的方法 -15]列方程，
代人數據，整理后得到高溫區(qū)的熱平衡方程如下：
9676．61×m(C，b，k)一12803．05×，n(C，d，Fe)
= 1040027．8 (1)
0．0274 Xm(C，b，k)+0．1090×m(c，d，Fe)
= 10．93 (2)
式中：m(C，b，k)是風口前燃燒的碳量；m(C，d，
Fe)是還原鐵的耗碳量。
聯立(1)和(2)求解得到：m(C，b，k)=
180．2kg，m(C，d，Fe)=55．0kg。代人式(3)
K×W(C，k)=m(C，b，k)+，n(C，d，Fe)
+m(C，d，a)+m(C，C) (3)
式中：K是高爐焦比； (C，k)是焦炭中的含碳量；
m(C，d，a)是還原合金元素的耗碳量；m(C，c)是
生鐵滲碳量。
得到焦比 值為
K=f 180．2+55．0+7．28+42．28)／0．7914
： 359．8kg
考慮爐塵損失，焦比 應為
K =359．8+2．7／0．7914=363．2kg
當前條件下進渣的CaO和SiO：的質量為：
m(CaO)=， 人爐礦×／Z1，c 0+， 焦炭×／"t2，
c o — m 爐塵量
×／"t3-cao (4)
，n(SiO2)=，n入爐礦× 1，
si02 + ，n焦炭× 2
，
si02 一m 爐塵量
x it／,3
，
sio2-2．14 ×，n生鐵× 4
，si (5)
其中SiO 還原的化學式為SiO2+2C=Si+2CO，
代人數據得：
m(CaO)=164．1kg； (SiO2)=138．7kg。
此時堿度R=m (CaO)／m (SiO2) =
164．1／138．7=1．18，與該爐規(guī)定的爐渣堿度
1．25幾乎相等。高爐操作實際冶煉石灰石用量
20kg，每增加lkg石灰石要多耗焦炭0．296kg，
因此，增加20kg石灰石需要追加焦碳5．9kg。由
此可見，在其它高爐操作條件不變的情況下，噴
吹煤與廢塑料混合燃料時，入爐焦比為363．2+
5．9=369．1kg／t。該高爐2005年的實際人爐焦
比是384．5kg／t，與實際生產相比較，在噴吹煤
與廢塑料混合燃料條件下，可以節(jié)約焦炭
15．4kg／t。
由混合樣品的工業(yè)分析可知 ，混合燃料
的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳等化學指標符合高
爐噴吹要求。根據以上采用高爐高溫區(qū)熱平衡的
分析法，理論計算得到在高爐噴吹煤與廢塑料混
合燃料條件下的焦比為369．1kg／t，與單一噴吹煤
粉相比，降低了15．4kg／t，所以節(jié)約了能源。
2 噴吹過程的計算機模擬研究
2．1 空氣煤粉混合噴吹在回旋區(qū)的計算機模擬
煤粉的燃燒化學方程式：
C+O2=CO2 C +O2=CO，CO +O2：CO2
空氣和煤粉兩種物質進入回旋區(qū)后混合。其
中煤粉的進入速度為20m／s，溫度300K，空氣的
進入速度為lO0m／s，溫度1500K，壓力出口溫度
2000K，煤粉與空氣采用湍流非預混合燃燒。初
始化之后進行迭代，迭代后得出圖1和圖2。
14
冶 金能源
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
V01．35 No．1
Jan．2016
圖1 噴吹煤粉的回旋區(qū)等溫線圖及燃盡率
由圖1可知，回旋區(qū)中部溫度偏低，底部溫
度偏高。但由于煤粉未能充分燃燒，導致總體溫
度偏低，且煤粉的燃燒率不高，導致燃燒不充
分。在高速高溫環(huán)境下，混合物在回旋區(qū)內燃
燒，在回旋區(qū)中部完全燃燒，在外部煤粉不充分
燃燒，因此在整個回旋區(qū)內煤粉燃燒不完全。
圖2中從左到右依次為O 、CO 、CO質量
分數等值線。由于回旋區(qū)的燃燒基本在左中部，
因此左中部O：含量最多。由于在中部O 含量比
較充分，煤粉可以完全燃燒，所以在中部煤粉燃
燒生成了CO：。右下部O：含量不充分，煤粉沒
有完全燃燒形成了CO，CO又有一部分燃燒變成
CO：，所以右下部CO、CO 并存。
2．2 噴吹煤粉和乙烯混合燃料的計算機模擬研
究
在噴吹煤粉的過程中，單獨噴吹煤粉使得高
爐的燃燒效率十分低，總體燃燒溫度不高，導致
高爐內的燃料利用率低，造成資源浪費。
．0732
．0773
． 0869
．0823
圖2 O 、CO2、CO質量分數等值線
以乙烯為例，將乙烯與煤粉混合加上空氣通
人回旋區(qū)。其中乙烯燃燒化學方程式為：
C2H4+302= 2CO2+2H2O
初始化后進行迭代，得出圖3和圖4。
圖3顯示出乙烯和煤粉混合燃料的溫度整體
比煤粉要高一些，而且燃燒范圍也更大，說明乙
烯和煤粉的混合燃料燃燒更劇烈。
圖4中從左到右依次為O：、CO：、CO質量
分數等值線。通過圖2和圖4的O 分布圖對比，
在混有乙烯的情況下O 分布更加均勻充分，有
利于燃燒的進行。
綜上，從溫度場、焦炭燃盡率和O：、CO 、
CO的分布圖可以看到，在混有乙烯的情況下，
燃燒更加充分，流場更均勻。說明混有乙烯的條
件下，高爐內的化學反應更充分徹底，反應物的
分布更均勻。

16
冶 金能 源
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
Vo1．35 No．1
Jan．2016
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趙艷編輯
(上接第6頁)
表3 鋼鐵生產流程產品成本 t
產品 高爐鐵水KR鐵水轉爐鋼水連鑄鋼坯熱軋鋼材
經分析可知，產品制造過程中各工序的單位
產品成本趨勢是上升的。由于煉鐵車間沒有進行
煤氣流改造，所以高爐鐵水和KR鐵水的成本沒
有變化，而改造后轉爐鋼水、連鑄鋼坯、熱軋鋼
材的產品成本均比改造前要低。所以從熱經濟學
成本的角度考慮改造后的流程有利于提高經濟效
益。
3 結論
(1)熱分析法只考慮輸入和輸出工序熱量，
而炯分析法既考慮能量的炯，也考慮物質的炯，
炯分析更能宏觀反映工序的能量利用情況，在炯
分析的基礎上提出鋼鐵主生產工序炯效率，可以
評價鋼鐵流程主生產工序的能源利用情況。
(2)余熱資源不僅要回收炯，也要利用朊。
能級分析法從炯和嫵兩方面考慮能量的回收利
用。能級差的絕對值指標可以評價余熱資源的利
用情況。
(3)熱經濟學分析是根據輸入、輸出的炯
進行成本計算，可以用來評價工序改造前后、不
同能量流網絡下，對應工序或全流程的產品成
本，并以此作為評價指標。
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趙艷編輯

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