东北大学 冶金学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2017-06-05
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374061，51604069)。
作者简介：丁智敏(1982-), 男, 甘肃天水人, 东北大学博士研究生;
沈峰满(1958-), 男, 黑龙江密山人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：为了改善高炉炉况、降低未燃煤粉对高炉的负面影响, 利用“Euler-Euler”法对高炉内未燃煤粉的堆积分布进行了数值模拟.考察了倒V型、V型和W型软熔带高炉内的未燃煤粉分布, 以及软熔带形状对未燃煤粉分布的影响, 并比较了三种软熔带高炉堆积未燃煤粉量的多寡和高炉各区域未燃煤粉堆积量.计算结果表明:未燃煤粉主要堆积在高炉软熔带下方; 死料柱、风口回旋区下方、软熔区域、软熔带顶部和根部是未燃煤粉容易堆积的区域.W型软熔带是最佳的高炉操作模式, 具体表现在:未燃煤粉在高炉内分布相对均匀; 在一定压差条件下可容纳较多煤粉.
关键词：软熔带高炉未燃煤粉数值模拟炼铁
Numerical Simulation for the Influence of Cohesive Zone Shape on Distribution of Unburned Pulverized Coal in Blast Furnace
DING Zhi-min, JIANG Xin, WEI Guo, SHEN Feng-man
School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: SHEN Feng-man, E-mail: shenfm@mail.neu.edu.cn
Abstract: In order to improve blast furnace (BF) operation and reduce the negative influence of unburned pulverized coal on BF performance, the "Euler-Euler" method was used to simulate the distribution of unburned pulverized coal in BF. The distribution of unburned pulverized coal in BF with three kinds of cohesive zone and the influence of cohesive zone shape on the distribution of unburned pulverized coal were investigated. For different cohesive zones, the total amount of unburned pulverized coal and the regional accumulation amount of unburned pulverized coal were compared. The simulation results show that the unburned pulverized coal is mainly accumulated below the cohesive zone of BF. The deadman, the region below the raceway, the cohesive area, and the top and root of the cohesive zone are the main regions where the unburned coal powder easily accumulates. The W-shape cohesive zone is the best blast furnace operation mode. The reasons are: the distribution of unburned pulverized coal in BF is relatively uniform; more pulverized coal can be accommodated under a specific differential pressure condition.
Key words: cohesive zoneblast furnaceunburned pulverized coal(UPC)numerical simulationironmaking
未燃煤粉在高炉内可参加铁水渗碳、碳气化反应和还原反应, 但随着高炉喷煤量的提高, 若未燃煤粉堆积量超过了高炉内部反应消耗的量, 未燃煤粉将在高炉内部堆积, 影响高炉透气性, 使压差升高, 严重时影响高炉顺行; 因此未燃煤粉在高炉内的过量堆积是限制高炉喷煤量的重要因素之一[1-3].
为了改善高炉炉况、降低未燃煤粉对高炉的负面影响, 有必要对未燃煤粉在高炉内的分布进行研究.国内外学者对高炉内未燃煤粉的运动分布作了相应的研究.文献[4-5]分别通过物理模拟的方法研究了喷吹一定量煤粉后, 煤粉在高炉模型内的分布及其对压差的影响; Dong等[6]通过填充床模型考察了软熔带对高炉内气体和粉体流动的影响; Nogami等[7]研究了死料柱结构和粉体直径对高炉内气体和粉体流动的影响.然而这些研究并未考虑高炉内各区域空隙度的变化.本文将高炉分为若干空隙率不同的区域, 考察高炉模型内未燃煤粉的堆积分布状况.气固两相流通常采用“Euler-Lagrange”法和“Euler-Euler”法.本文计算未燃煤粉的堆积, 由于粉体体积分数较高, 故采用“Euler-Euler”法建立数学模型, 对未燃煤粉在高炉内的堆积分布进行研究, 考察了不同软熔带形状下高炉内未燃煤粉的堆积分布.
1 数学模型高炉内的过程非常复杂, 对高炉内的气体和煤粉运动进行数值模拟时, 视高炉为散料体填充床, 气体和未燃煤粉为互相贯穿的连续介质[8]; 并作如下假设:①气体、煤粉以均匀速度从风口吹入; ②气体为不可压缩的稳态流动; ③忽略传热传质及化学反应; ④填充颗粒为直径相等、球形度相同的颗粒; ⑤忽略高炉块状带的空隙度变化.
高炉内的未燃煤粉根据其运动状态可分为两部分[9], 一部分为被气体带出炉外的运动煤粉, 另一部分为由于阻力滞留在高炉内部的静止煤粉.Hidaka等[10]对填充床中静止粉体的分布进行了试验研究, 得到了静止粉体体积分数的经验公式, 当气体速度接近于0时, 该公式不能描述高炉内堆积的未燃煤粉实际情况; 因此对该公式作了修正, 修正后的公式如下:
 | (1) |
根据未燃煤粉在高炉内的流动行为, 高炉内气体、未燃煤粉和填充颗粒的体积分数满足式(2):
 | (2) |
计算所采用的连续性方程和动量守恒方程如下:
 | (3) |
 | (4) |
 | (5) |
 | (6) |
湍流方程为κ-ε方程, 详细方程见文献[11].
1.1 计算模型计算模型为某1 250 m3高炉, 其炉膛截面结构尺寸如图 1所示, 计算区域为二维规则几何体; 为减少计算量, 选取1/2高炉模型进行网格划分, 网格类型为四边形结构性网格.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 高炉尺寸及软熔带参数(m)Fig.1 Blast furnace geometry and cohesive zone parameters |
1.2 边界条件各边界条件的设置如下:1)炉壁和炉底设置为固体壁面, 采用无滑移边界条件, 各相速度为零; 2)入口采用速度入口边界条件, 在入口处各相的速度由各相流量确定, 速度方向为垂直于边界面; 3)出口采用压力出口边界条件, 出口处各相梯度均为零; 4)对称轴设置为对称边界条件, 在对称边界上, 垂直边界的速度为零, 其他物理量的值在该边界内外是相等的.近壁面采用壁面函数法.
1.3 软熔带参数模型忽略软熔带矿石层中的煤气流量[12], 将软熔带矿石层设定为气体和未燃煤粉不能通过的区域.软熔带参数的定义如图 1所示.倒V, V和W型三种高炉软熔带的参数见表 1.
表 1(Table 1)
 表 1 软熔带参数Table 1 Parameters of the cohesive zone
| 表 1 软熔带参数 Table 1 Parameters of the cohesive zone |
1) 高炉各区域及空隙度参数.将高炉模型分为块状带、软熔带“焦窗”、滴落带、死料柱和风口回旋区5个区域(见图 2).根据文献[13], 从料面到风口间的高炉平均空隙度在0.231~0.426, 高炉块状带的空隙度在0.35~0.46, 因此将高炉块状带、软熔带“焦窗”、滴落带、死料柱和风口回旋区的空隙度ε1, ε2, ε3, ε4，ε5分别设为0.4, 0.35, 0.3, 0.25, 1.0.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 高炉区域空隙度示意图Fig.2 Schematic illustration of regional porosity in blast furnace |
将高炉模型从炉喉沿径向分为三等分(如图 2所示), 即高炉模型分为三个区域:中心区域、中间区域和边缘区域, 以便于比较未燃煤粉在高炉模型各区域的堆积分布.
2) 物性参数.高炉模型中的填充颗粒球形度均设为0.75, 颗粒直径为0.025 m; 气体为1.01×105 Pa下20 ℃的空气; 烟煤和无烟煤的密度分别为1 250~1 500 kg·m-3, 1 360~1 800 kg·m-3[1]; 本研究选取未燃煤粉密度为1 400 kg·m-3, 气体和煤粉的物性参数及模拟高炉的基本操作参数见表 2.
表 2(Table 2)
表 2 计算参数及高炉操作参数Table 2 Calculation and operation parameters of blast furnace
| 表 2 计算参数及高炉操作参数 Table 2 Calculation and operation parameters of blast furnace |
1.4 数值模拟的验证采用1:25比例的高炉二维模型, 通过比较中心线压差来验证数学模型的正确性, 高炉模型几何尺寸及测压点如图 3a所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 模型尺寸和中心线压差Fig.3 Model dimension and pressure difference distribution along the center line (a)—模型尺寸(mm); (b)—压差比较. |
由图 3b可以看出, 计算值与实验值的趋势基本吻合.因此数学模型能较好地模拟高炉填充床模型中气固两相流的运动.
2 计算结果与讨论2.1 不同软熔带形状下未燃煤粉的分布软熔带的形状是高炉上下部调剂的综合体现, 主要受布料制度和送风制度的影响, 是决定高炉煤气流稳定运行的关键.在相同喷吹条件下, 三种软熔带形状下高炉内未燃煤粉的堆积分布如图 4所示.由图可知:1)高炉块状带的未燃煤粉堆积量较少, 未燃煤粉主要堆积在高炉软熔带下方; 死料柱、风口回旋区下方、软熔区域是未燃煤粉易堆积的区域; 2)软熔带形状对软熔区域及死料柱上的未燃煤粉的分布有重要影响:倒V型软熔带高炉中, 未燃煤粉易在软熔区域的中心堆积; V型软熔带高炉中, 未燃煤粉在软熔区域的边缘容易堆积, 在死料柱上方未燃煤粉的堆积量较多; W型软熔带高炉中, 未燃煤粉在高炉软熔区域的中心和边缘的堆积比较分散, 显著堆积的区域较少, 未燃煤粉在软熔区域的分布相对均匀.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同软熔带形状高炉内的全部未燃煤粉分布Fig.4 Distribution of total UPC in blast furnaces with different cohesive zone shape (a)—倒V型; (b)—V型; (c)—W型. |
图 5为高炉内运动煤粉的分布图, 由图可见:运动煤粉主要在高炉中间区域运动; 软熔带改变了未燃煤粉的运动方向, 对运动煤粉起到了二次分布的作用.在倒V型软熔带和W型软熔带高炉内, 运动煤粉经过软熔带后流动方向趋向边缘; 在软熔带高炉内, 运动粉体经过软熔带后流动方向趋于高炉中心.运动煤粉通过软熔带“焦窗”向上流动, 在V型和倒V型高炉块状带区, 运动煤粉汇聚成细条状; 在W型高炉块状带内, 运动煤粉汇聚现象有所降低, 说明W型高炉块状带内运动煤粉分布较为均匀, 有利于该区域的气体组成和温度均匀分布.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 不同软熔带形状高炉内运动未燃煤粉分布Fig.5 Distribution of dynamic UPC in blast furnaces with different cohesive zone shape (a)—倒V型; (b)—V型; (c)—W型. |
2.2 不同软熔带形状下未燃煤粉的堆积量为比较不同软熔带高炉内未燃煤粉堆积量的多少, 定义了高炉内未燃煤粉的平均体积分数φf, 平均体积分数越大, 则高炉模型内未燃煤粉累积越多, 反之亦然.平均体积分数φf定义如下:
 | (7) |
三种软熔带高炉内未燃煤粉的平均体积分数如图 6所示.由图可见, 相同喷吹条件下, V型软熔带高炉内堆积的未燃煤粉最多, 其次是W型软熔带高炉, 倒V型软熔带高炉堆积的未燃煤粉最少.从容纳未燃煤粉量的多少考虑, V型和W型软熔带高炉是较好的选择.但在实际生产中, V型软熔带高炉在高炉中心区域堆积的未燃煤粉较多, 不利于发展中间气流, 生产指标不好, 对高炉顺行不利.因此从容纳未燃煤粉量和高炉实际操作的角度考虑, W型软熔带在一定全压差条件下可容纳较多煤粉, 且分布较均匀, 有利于高炉顺行, 这是W型软熔带的高炉操作优势之一.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 不同软熔带形状高炉内未燃煤粉平均体积分数Fig.6 Average volume fraction of UPC in blast furnaces with different cohesive zones shape |
将高炉沿垂直高度划分为若干层, 每层分为中心、中间和边缘三个区域, 通过平均体积分数比较高炉模型各部位的未燃煤粉堆积量.图 7为三种软熔带高炉分层区域的未燃煤粉平均体积分数.由图可见, 三种软熔带高炉的块状带和炉缸区域未燃煤粉平均体积分数基本一致，即未燃煤粉堆积量基本一致.在软熔带及其根部和上部区域, 未燃煤粉平均体积分数相差较大, 说明软熔带形状对该区域未燃煤粉的分布影响较大.在三种软熔带高炉的中心和中间区域, 倒V型高炉堆积的未燃煤粉量较多, 其次是W型和V型高炉; 而在边缘区域, 与之相反.因此比较三种软熔带高炉, W型软熔带高炉的未燃煤粉在软熔带区域径向分布相对均匀, 这也是W型软熔带的高炉操作优势之一.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 高炉各区域未燃煤粉的平均体积分数Fig.7 Average volume fraction of UPC in various regions of blast furnace |
2.3 不同软熔带形状下高炉内部压差分布图 8为三种软熔带高炉在高炉中心线上的压差分布(以高炉出口压力101 325 Pa为基准压力, 以风口水平线为起点).由图可见:1)在高炉块状带区域, 三种软熔带高炉的压差分布无显著差别; 2)高炉软熔带的形状对高炉中心压差的影响主要在软熔带区域, V型软熔带压力分布不均, 这是高炉操作不选择V型软熔带的原因之一.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同软熔带形状高炉的中心压差Fig.8 Pressure difference distribution along the center line of the BF with different cohesive zone shape |
3 结论1) 软熔带形状对高炉内未燃煤粉分布的影响主要在软熔带及其根部和上部区域.未燃煤粉主要堆积在高炉软熔带下方, 死料柱、风口回旋区下方、软熔区域是未燃煤粉最容易堆积的区域.
2) 三种软熔带中, W型软熔带是最佳的高炉操作模式, 具体表现在:①未燃煤粉在高炉内分布相对均匀; ②在一定压差条件下可容纳较多煤粉.
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