烧结过程水蒸气注入提升燃料燃烧效率及降低CO排放的能质传递机制研究

本文创新性地基于实际烧结机工况建立稳态模型，定量解析水蒸气注入参数（流量、位置）对烧结反应、温度场、熔体形成、过湿带、CO排放及燃烧效率的影响机制。研究发现水蒸气与烧结指标间存在复杂非线性关系，优化注入参数可显著提升燃烧效率至95.55%（80 m3/min中前段注入），为钢铁行业碳减排提供关键技术支撑。

　　

Highlight

物理模型

铁矿烧结作为高炉炼铁关键原料，其传统工艺在环保技术革新中迎来突破。水蒸气注入技术通过精准调控注入点位置与流量（如图2所示），成为提升燃烧效率的核心手段。本研究基于实际烧结机尺寸构建二维稳态模型，首次引入料层横向运动变量，系统模拟气相-固相间化学反应（包括水蒸气参与的水煤气反应、氧化还原反应及烧结矿分解反应），揭示能质传递的动态耦合机制。

模型验证

图4显示烧结料层温度场的模拟值与烧结杯实验数据高度吻合，验证了模型的可靠性。表5进一步通过子模型对比证实：燃烧反应动力学参数误差<5%，CO生成路径预测R²>0.92，表明模型可精准捕捉水蒸气对碳转化率（C→CO₂）的催化作用。

结论

(1) 数值模拟成功复现实际烧结温度梯度，突破传统烧结杯实验无法反映料层横向气流扰动的局限；

(2) 水蒸气注入产生"双刃剑"效应：最佳工况（80 m³/min中前段）可提升燃烧效率至95.55%，但过量注入会导致过湿带扩大；

(3) 非线性优化表明：CO减排与熔体形成存在阈值效应，为工业参数智能调控提供理论靶点。