氧气高炉炼铁技术是用全氧鼓风取代传统的预热空气鼓风操作的高炉炼铁工艺,氧气高炉具有高喷煤量,低焦比,生产率高,煤气热值高等优越性,将使现行的高炉炼铁工艺发生重大变革。同时由于没有NOx排放,因此氧气高炉也是环保高炉。由于操作参数发生了很大变化,尤其是煤气循环、大喷煤量、以及可能的炉料热装,将使炉内各区域的状态和整体的物质流和能量流大大不同于传统热风高炉。为开发和优化氧气高炉技术和工艺,有必要针对上述主要特点对高炉整体和各区域的物料平衡热平衡、炉内煤气运动、喷煤燃烧和可能的高温煤气改质处理进行研究。为此本文主要进行了以下研究。(1)建立了氧气高炉物料平衡热平衡模型,模型包括原料消耗与渣量及成分模块、煤气循环模块、鼓风量与煤气量及成分模块、氧气高炉双平衡模块、高温区热平衡模块和固体炉料区热平衡模块。模型计算表明,在同时满足全炉热平衡和区域热平衡的条件下,氧气高炉只在炉身喷吹循环煤气流程的理论燃烧温度过高,而只在炉缸喷吹循环煤气流程的理论燃烧温度偏低。对于氧气高炉炉身、炉缸同时喷吹循环煤气流程,当循环煤气量为550Nm3/tHM,炉身、炉缸循环煤气量分配比为l：1时,可以使热量在各区域达到匹配。计算结果还表明炉料热装不能降低焦比,但是可以使炉身区域还原条件得到改善,提高生产效率,同时也使高炉操作的调节更加灵活。(2)以容积为2100m3炉型的氧气高炉为对象,考虑炉内空隙度分布的特点,建立了计算氧气高炉煤气流动的数学模型,计算得到了炉内煤气流动的速度场,并通过示踪剂气体的非稳态得到了煤气的停留时间分布的。通过模型计算可得,2100m3氧气高炉内煤气的流动接近活塞流,当风口速度由200m/s增大到307m/s时,煤气平均停留时间从14.5s降低到9.7s,死区比例从0.8%增大到5.3%。(3)建立了氧气高炉内煤粉燃烧的数学模型,根据空隙度分布将其划分为回旋区区域、死料柱区域和滴落带区域,包含了煤粉与氧气、二氧化碳和水蒸气的反应,同时也考虑了填充中焦炭的燃烧和气化反应。模型计算结果表明,气流在回旋区内呈现出回旋运动的状态,在填充床区域速度急剧降低,由160m/s降低至3m/s;由于煤粉颗粒在回旋区中也做回旋运动,颗粒在回旋区中的停留时间由20ms增至50ms；随着鼓风富氧率的升高,煤粉颗粒中固定碳的析出距离风口也越近,析出的固定碳与氧气迅速的反应,使煤粉的燃烧更加完全。(4)针对氧气高炉热装料后炉顶出来的高温煤气,搭建高温煤气改质实验平台,实验研究了待改质煤气成分、温度、焦炭粒度和流量对改质效果的影响。结果表明得出温度对煤气改质的效果起到决定性作用。(5)建立了碳基填充床煤气改质过程的动力学模型。模拟计算结果表明,虽然填充床内气体温度随着待改质气体温度的增加和氧化性组分的减少而增加,但均可通过调整水蒸气的加入量,使出口处气体温度达到目标温度。随着待改质煤气温度的增加,改质后CO的体积分数呈增加趋势,H2的体积分数也呈增加的趋势。同时研究了碳基填充床反应器的高度和粒度对煤气改质过程的影响。