（冶金工程专业论文）高炉风口回旋区的模拟计算与实验研究.pdf

中文摘要 摘要 高炉风口回旋区是高炉顺行不可缺少的重要反应区，而且回旋区内部的物理、 化学反应十分复杂。其传热传质过程不但影晌风口前的燃烧温度和煤气分布，而 且还影响炉缸内渣铁的形成和生铁质量。因此通过回旋区模型实验与数值模拟来 研究高炉料层分布，软熔带区域，死料柱特性以及炉缸内铁水运动就显得格外重 要。 本文针对全球高炉大型化的发展趋势，以重钢高炉炼铁实践为依据，并结合 了当前研究的实际情况。在系统地分析整个风口回旋区的物理和化学反应机理的 基础上，采用了物理模拟与数值模拟相结合的方法。论文主要研究内容包括以下 几部分： ( 1 ) 首先提出了课题的学术背景及意义，阐明了高炉风口回旋区内的反应及形 成机理，对相关领域的国内外研究现状以及发展趋势做了综述，并指出了本文的 主要研究内容。 ( 2 ) 在风e l 回旋区内，焦炭颗粒在高温气流的带动下作回旋运动，并伴有物理 和化学反应。本文以气固两相流动冷态模化理论为基础，建立了一个模拟回旋区 内气固相流动过程的物理模型，分析了鼓风动能、料层属性、料层填充高度以及 料层下降过程对圆旋区大小的影响。 ( 3 ) 为了分析回旋区内煤气组分的浓度分布，以相似理论为依据，建立了一个 模拟回旋区煤气浓度场分布的物理模型，测量出了回旋区垂直断面与水平断面上 气体组分的浓度场分布状况。 ( 4 ) 利用大型商业软件f l u e n t 对高炉回旋区内气流的速度分布，压力分布 以及煤气的浓度场分布进行了模拟。同时结合高炉炉缸的物理模型，对炉缸部分 气流的流动状况进行了相关的数值模拟。数值模拟结果与实验结论符合，且可视 化效果大大增强。 ( 5 ) 最后对本课题所做的工作进行了系统总结，并根据当前的研究状况对高炉 风口回旋区进一步研究的前景做了展望。 关键词：高炉，炼铁，回旋区，燃烧，湍流，c f d ，数值模拟 英文摘要 a b s t r a c t b fr a c e w a yi sa l li n d i s p e n s a b l ep a r to ft h er e a c t i o na r e at ot h eb l a s tf i l r n a e e o p e r a t i o n , m o r e o v e rt h ei n t e r n a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o ni sv e r yc o m p l e x h e a t a n dm a s st r a n s f e rp r o c e s sw i l ln o to n l ya f f e c tt h ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n dg a s d i s t r i b u t i o nb e f o r et h et u y e r e sb u ta l s oa f f e c tt h es l a gf o r m a t i o na n dp i gi r o nq u a l i t yi n c y l i n d e rf i a r n a e e t h e r e f o r e , t h r o u g hr a c e w a ym o d e lt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o s t u d yt h ed i s t r i b u t i o no fm a t e r i a lb e d ，t h er e g i o no fs o f tm e l tz o n e ，d e a d m a nc h a r a c t e r a n dh o tm e t a lm o v e m e n ti nb fi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t f a c i n gt h et r e n do f b f se n l a r g e m e n to f t h ew o r l d ，b a s e do nt h ec h o n g q i n gs t e e l s p r a c t i c e , a n dc o m b i n e d 、) l ，i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no f t h ec u r r e n ts t u d i e d ，t h ep a p e ra n a l y s e t h ew h o l ep h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s m t h ep h y s i c a lm o d e l i n ga n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sw a su s e di nm i sp a p e r t h ep a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g m a i np o i n t s ： ( 1 ) t h ep a p e rp r o p o s e dt h ea c a d e m i cb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i ca n d e x p l a i n e dt h eb fr a c e w a ym e c h a n i s m t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do f t h ef i e l da th o m ea n da b r o a dh a v e d o n ear e v i e w , a n dt h em a i nc o n t e n to f t h ep a p e rh a v e b e e np r o p o s e d ( 2 ) c o k ep a r t i c l e si nt h eh i g h - t e m p e r a t u r eg a sf l o wd r i v e nc a m p a i g ns w i n g , a c c o m p a n i e db yp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o ni nr a c e w a y b a s e do nt h ec o l dg a s s o l i d t w o - p h a s ef l o wt h c o r y , ap h y s i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e df o rs i m u l a t i n gt h eg a s s o l i d f l o wi nt h eh e a r t ho fb f , a n dt h ei n f l u e n c eo ft h eb l a s te n e r g y , m a t e r i a ln a t u r e , b e d h e i g h to f m a t e r i a la n dp r o c e s so f b e dd e s c e n tt ot h er a c e w a ys i z ew a sa n a l y s e d ( 3 ) m e a n w h i l e , i no r d e rt oa n a l y s i n gc o a lg a sc o m p o s i t i o na n dt h ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n , ar a c e w a yc o l dm o d e lb a s e do nt h es i m i l a rt h e o r yw a se s t a b l i s h e d , a n dt h e d i s t r i b u t i o no fg a sc o n c e n t r a t i o nf i e l da tt h ev e r t i c a ls e c t i o na n dh o r i z o n t a ls e c t i o no f t h er a c e w a yw a sm e a s u r e d ( 4 ) u s i n gt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n tt o s i m u l a t et h ef l o wv e l o c i t y d i s t r i b u t i o n , t h eg a sp r e s s u r e a n dt h ec o a l g o a s c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni n r a c e w a y c o m b i n e dw i t ht h ep h y s i c a lm o d e lo ft h eh e a r t ho fb e t h ea i rf l o wi nh e a r t h w a ss i m u l a t e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o n s i s t e n t , a n dv i s u a l e f f e c t se n h a n c e ds i g n i f i c a n t l y ( 5 ) i nt h ee n d , t h er e s e a r c ho nt h et o p i cw a ss y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e d b a s e do nt h e 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 c u r r e n ts t a t u so f r e s e a r c ho nt h eb fr a c e w a y , t h ep r o s p e c t sa b o u tt h es u b j e c ti sa l s o p o i n t e d k e y w o r d s ：b l a s tf u r n a c e ，i r o n m a k i n g , r a c e w a y , c o m b u s t i o n , t u r b u l e n c e , c f d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：惭 签字日期：办彤年声月口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：缈 签字日期：2 即占年一月矿日 导师签名：诡壶褒 签字日期：易舶年 月寸日 1 绪论 i 绪论 1 1 课题提出的学术背景及意义 由于铁矿资源在地球上的储量、分布、易提取性，钢铁材料易加工性、良好 的综合性能与易于循环利用等特点，钢铁已成为人类社会发展所需的不可替代的 材料【i 】。新中国成立5 0 多年来，特别是改革开放以来，中国钢铁工业进入了一个 前所未有的快速发展轨道。自1 9 9 6 年中国钢产量突破1 亿吨大关后，已连续多年 稳居世界钢产量首位【2 翔。进入2 l 世纪后，中国钢铁工业更进一步得到蓬勃发展。 2 0 0 4 年在强大的市场需求推动下，其粗钢产量比2 0 0 3 年增加5 0 4 6 万吨，达到了 2 7 2 4 5 万吨，接近于世界钢铁排名第二至第四位的日本( 11 2 6 8 万吨) 、美国( 9 8 5 5 万 吨 和俄罗斯( 6 4 2 9 万吨) 钢产量的总和( 2 7 5 5 2 万吨) ，占世界钢产量的2 5 8 1 2 1 。2 0 0 5 年中国粗钢产量首次超过3 亿吨，达到3 4 9 3 6 5 万吨，比上年增长2 4 ，占全世界 钢产量的3 0 左右，相当于产量排名第2 、3 、4 位国家全部产量的总和。虽然中 国的钢铁产量居世界之首，但总体发展水平还不够高，钢铁产品在品种、质量、 能源消耗，环境保护以及经济效益等方面的水平比世界钢铁工业改造的先进水平 和钢铁发达国家还有很大的差距。 为了提高劳动生产率，降低生铁成本，保护环境，提高竞争力，发达国家在 扩大高炉容积、减少高炉座数、提高单炉产量方面进展非常迅速。欧洲高炉委员 会1 2 国的高炉座数从1 9 8 7 年的9 5 座减少到1 9 9 2 年的7 2 座，同期生铁产量由8 8 1 0 万吨增加到8 8 6 0 万吨，平均单炉年产量由9 2 7 万吨上升到1 2 3 万吨。预计到2 0 0 6 年高炉座数将进一步减少到5 7 座。北美的高炉座数由1 9 7 3 年的1 7 0 座减少到1 9 9 3 年的4 9 座，同期生铁产量由1 0 1 0 0 0 万吨减到5 9 0 0 万吨，但平均单炉年产量却由 5 9 4 万吨增加到1 2 0 4 万吨。其中美国高炉座数近1 0 年又减少了1 6 7 ( 8 座) ，而 生铁产量却增加了2 7 。日本高炉座数从1 9 9 3 年的6 0 余座减少到1 9 9 3 年的3 3 座，同期生铁产量从9 0 0 0 万吨减少到7 3 7 4 万吨，但平均单炉年产量却从1 5 0 万 吨增加到2 2 3 5 万吨。近几年日本生产高炉座数减少到3 0 座，平均高炉产量又进 一步提高【”。上述国家和地区的高炉在大型化过程中，原料、焦炭的质量和高炉的 装备水平有很大提高，因而焦比和利用系数等技术经济指标也有显著改善。但平 均单炉生铁产量的大幅度提高，主要还是高炉大型化的结果。 目前，我国正处在由粗放型经济向与环境相容的可持续发展经济转型，冶金 行业毫无疑问也必须适应这一趋势，学习国外的先进经验和技术来努力推动钢铁 冶炼的高炉大型化f 5 , 6 1 。高炉大型化对生产的促进作用十分明显，但目前国内外的 各大钢铁冶炼企业和科研机构对于高炉大型化之后的炉内反应状况还不是十分了 重庆大学硕士学位论文 解，正处在一个研究与探索的阶段。 实际上，炼铁高炉就是一个巨大的、复杂的逆流式反应器，从高炉下部吹进 的高温高压的热风，在经过与焦炭的燃烧反应之后，产生煤气流。煤气流与从高 炉上部放入的矿石在高炉的炉腹部分相遇，发生氧化还原反应，进行物质交换和 能量交换，从而生成铁水和炉渣，流出高炉。为了保证高炉在生产运行中处于最 佳状态，防止如“结瘤”、崩料”、“管道”等重大事故的发生，保证高炉正常运行， 延长高炉使用寿命，就必须实时地对高炉内部情况进行把握，以便进行科学合理 的操作。 高炉风口回旋区是整个高炉生产的热量和能量之源，是高炉稳定操作不可缺 少的重要反应区，堪称高炉的“心脏”【_ ”。首先，高炉中的炉料由于燃料中碳的燃烧 和熔化渣铁的不断滴落，逐渐降落到燃烧所出现的空间，使燃烧和熔化过程不断 进行，从而导致了高炉中炉料的运动，使整个冶炼过程连续、稳定的顺利进行；其 次，焦炭回旋区的形状( 包括回旋区深度、宽度及高度) 对高炉下部气流及炉料下降 影响相当大；再次，由于焦炭中的碳和由风口喷入的辅助燃料( 如煤粉、重油等) 是在回旋区与鼓风中的氧进行燃烧而产生煤气的，而所产生的煤气又是高炉生产 所需化学能和热能的主要供给和携带者。所以，风口回旋区的形成和反应情况， 将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降、以及整个高炉内的传 热传质过程【8 】。风1 ：3 回旋区内物理和化学反应机理的研究，对创造最佳化的高炉冶 炼条件十分必要，对提高炼铁效率和提高钢铁质量也就有了很实际的意义。 1 2 风口回旋区的形成和反应机理 一 由于风口回旋区在整个高炉冶炼过程中的重要作用，国内外许多学者积极投 身于高炉冷态模型和热态模型，以及实验高炉和生产高炉上有关回旋区形成机理， 大小和形状计算方面的研究 9 ：o l 。但是由于回旋区内高温、高压条件下，由气、固、 液三相流之间进行着复杂耦合机械力学过程和化学反应过程的影响 1 1 , 1 2 ，致使目 前仍没有形成严格的回旋区理论【1 3 1 。虽然高炉风口回旋区内发生着非常复杂的物 理化学变化，其中煤粉在燃烧过程中也包括复杂的微观过程，但它们的宏观特性 却具有很明显的规律性。实际上高炉内炉料的运动是一个很大的移动床，铁矿及 焦炭的向下运动与高炉煤气的向上运动过程中完全接触并发生物理化学反应【1 4 】。 一般认为，鼓风离开风口时具有很强的动能，它吹动风口前的焦炭并与之发生燃 烧反应，在风口前缘形成一疏松且近似呈椭圆形的气相空穴。另外风口前的煤气 流以回旋区为放射中心，分别沿长径向炉缸中心发展，沿短径向两侧发展，与此 同时自空穴上部和两侧不断有新的焦炭补充进来使得焦炭在空腔内作回旋运动。 我们称这个区域为高炉风口回旋区，又简称为风口区或回旋斟1 5 】。回旋区示意图 2 1 绪论 如图1 1 所示。 图1 1 风口回旋区示意图 f i g i 1s k e t c ho f t h e r a c e w a y 壤逸 从流体动力学上来看，在沿炉缸水平方向，由于气体不断鼓入，空穴逐渐向 中心发展。空穴的发展程度取决于鼓风参数、炉型结构参数、焦炭颗粒自身属性 及焦炭层的下降速度等因素。随着气流在运动中伴随着粉尘和燃料颗粒运动，其 动能不断减少，导致在风口前床密度增加，从而阻碍了位于焦炭层前端气体排出。 最终在前面焦炭层阻力和后面气体冲力的作用下达到平衡。平衡后气流在气压的 作用下受迫向上运动，并在垂直方向上发展，导致形成此方向上的气相空穴。应 该指出，回旋区包括不同平面上二个空穴，并不允许发展其自身内部的回旋气流。 垂直空穴形成的直接原因不是由于气体回旋运动，而是由于气体从风口连续鼓入 所致。另外，掉进回旋区空穴气流中的部分焦炭颗粒燃尽反应，部分随气流高速 循环运动。风口回旋区内的焦炭运动在高温鼓风的作用下，它在运动中不断进行 着燃烧和气化反应，从而确保高炉上部炉料不断下降和高温还原煤气的不断产生。 由于焦炭和煤气的运动以及炭的燃烧反应，在整个回旋区内就存在一个物理环境 和一个化学环境【1 6 1 。焦炭颗粒与煤气流之闻的动量传递、二者之间的运动过程以 及相互作用构成了回旋区内的物理环境。同时，焦炭在运动中还进行着燃烧反应， 并与鼓风带进来的气流进行着质量、热量的传递。在此整个燃烧以及传质传热过 程就构成了回旋区内的化学环境。风口回旋区正是在物理过程和化学过程相互耦 合作用下产生。 实际上回旋区内发生的燃烧主要有两种状态。一类是鼓风气流与焦炭层发生 的燃烧反应，这里焦炭是相对静止的，是回旋区形成并向炉缸中心发展的主要原 因。另一类是焦炭颗粒和煤粉在剧烈的高速旋转运动中气化反应。风口前燃料燃 烧同时也是在空气量一定且有过剩焦炭的条件下进行的，故具体反应式为： 3 重庆大学硕士学位论文 c + 0 2 = c 0 2 c + c 0 2 = 2 c 0 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 由于完全燃烧所生成的c 0 2 又同过剩的炭反应生成c o ，其反应式也可写成式 ( 1 3 ) 。另外，如果考虑鼓风中水分在高温条件下与焦炭发生的反应，则生成h 2 和 c o ，反应式如( 1 4 ) 所示。 2 c + 0 2 = 2 c 0 ( 1 3 ) 凰d + c = 马+ c o ( 1 4 ) 因此，风口回旋区以至炉缸内煤气的最终成份以c o 、h 2 和n 2 为主。 1 3 风口回旋区相关领域的研究现状 风口回旋区的形成和反应情况，将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉 料的均衡下降、以及整个高炉内的传热传质过程。同时风口回旋区的传热传质过 程还影响到炉缸内渣铁的形成和质量。为此高炉研究者们在冷态和热态模型、实 验高炉和生产高炉上，对回旋区的尺寸、形状及形成机理进行了研究。 1 3 1 回旋区大小与形状的研究现状 炼铁作为钢铁行业的源头，国内外学者都在为提高高炉生产水平做着不懈的 努力。高炉生产过程中，高炉基本上是一个“黑箱”，故操作者十分关注高炉风口回 旋区的工作状态，而且回旋区的工作状态也成为判断和控制高炉的重要依据之一 0 7 j s 。过去由于用于小高炉的风机能力比较小，鼓风速度低，风口前焦炭的燃烧 和焦炭的气化过程可以近似认为是不动的焦炭层燃烧。因此，在1 9 3 5 年前苏联学 者m a 巴甫洛夫提出了风口前焦炭燃烧的层状理论。随着现代炼铁技术的进步和 高炉的大型化，鼓风速度提高到了1 0 0 2 0 0 m s ，这时风口前的焦炭受到强烈的流 体动力作用，并在风口前缘形成了一个焦炭在其内作回旋运动的空腔，因而出现 了风口前焦炭里循环运动的理论。同时国内外学者对高炉风口回旋区也做了大量 研究，研究方法众多，其主要是借助冷态模型研究和建立数学模型，进行数值模 拟等。 日本的羽田野道春等【1 9 1 通过冷态模型用大豆、谷子、小麦和不同粒径的砂予 代替焦炭颗粒模拟了风口回旋区内的压力和速度场。指出当回旋区内部完全处于 端流状态时，流动的流线大致恒定，静压力分布系数也趋于稳定，这时回旋区深 度就达到了最大值。h i r o s h it a k a h a s h i 等 2 0 1 通过二维和三维冷态模型研究固体 颗粒在回旋区的运动以及死料柱的大小与形状。指出高炉下部主要包括三个特征 区：快速流动区、保持静止的死料柱以及位于死料柱上方的准滞留带，并且对各 区域特性作了相应的描述。m o r i m a s ai c h i d a 等【2 l 】对运用三维物理模型对高炉风 口回旋区内喷煤燃烧状况做了详细的研究，最终发现喷煤率和煤粉颗粒大小对炉 4 1 绪论 料下降和煤气渗透性的影响。日本的桑原守等人用高速摄影机对二维冷态模型中 焦炭运动进行摄影，描绘出了焦炭在回旋区内的不同运动状态。 为研究高炉风口回旋区内焦炭与煤气的动力学作用及化学作用对回旋区的影 响，日本学者羽田野道春等人建立了同时考虑动量、热量、质量和化学反应等的 数学模型；福武刚等提出的炉缸内气、固、液态的力学平衡关系：b k 杜尔诺夫等 2 2 1 用建立回旋区的动力学模型描述了焦炭在回旋区运动、燃烧的重要特性；前苏 联冶金热工科学研究所的杜尔诺夫等人田】建立了一个扇形模型，扇形代表高炉风 口区，模型的一壁是玻璃，直接目测了回旋区；日本中村等人在模型实验中测定 了回旋区的形状，根据实验结果，认为回旋区是呈以深度为长轴与鼓风喷射区相 内接的一个椭圆。并提出回旋区宽度b r 与回旋区深度l r 之间的关系为”斟】： d 笔= 2 c 。t 3 0 。( 石l r d b l 式中： 卜常数 d b 一风口直径 3 旷指焦炭流入回旋区与风口中心线之间的夹角。 在国内，首钢较早的对2 3 m 3 的实验小高炉进行停炉解剖，用充填镁砂的办法 将生产状态下的风口前回旋区形状完整保存下来，并测得l g = 0 5 8 m 、h r = 0 5 2 m 、 b r - - 0 3 4 m 。从整个形状来看，近似于一个扁平椭球腔体，其回旋区形状系数为1 1 2 。 温良英等人【”捌建立高炉回旋区煤粉燃烧与辐射图像之间的关联关系，以燃烧过 程数值模拟和辐射图像信息与燃烧空间温度分布的关联性为基础，建立了二维辐 射图像信息与高炉风口回旋区内三维辐射能的关系。提出了一种利用二维成像技 术测量三维温度场的方法。陈举华等人 2 7 - 3 1 帐据相似及模化理论，建立了高炉风 口回旋区的三维冷态模型，并首次应用三维激光相位多普勒分析仪( p h a s ed o p p l o r a n a l y z e r - - p d a ) 对不同空气压力、空气流速和模拟颗粒下的模型进行了气体和颗 粒的三维速度、粒度和通量等参数的测量，并研究了工况与回旋区结构参数的关 系。邹祖桥等【3 ”3 1 对高炉富氧喷煤燃烧过程的三维数值模拟进行研究，取得了满意 的实验效果，同时对煤粉颗粒的运动轨迹进行数学模拟，并应用于武钢4 号高炉，实 验结果与高炉生产实际情况相符。俞宏晔【3 4 1 通过建立简化数学模型，对回旋区的 深度、高度做了较高精度的计算，较好地反映出真实回旋区深度的变化情况，为 深入了解回旋区内实际情况及指导高炉生产提供了帮助。 近年来，很大注意力都集中在高炉的数学模型上面，并把高炉内部的空间变 化与操作条件联系起来。很明显，建立一个回旋区的数学模型是很重要的，操作 者们用它可直接进行有效的操作p 5 1 。但是，关于该领域的研究报告多限于测定物 5 重庆大学硕士学位论文 理行为方面，很少有人研究风口回旋区的化学行为。而全面考虑回旋区形状大小、 物理及化学行为的综合数学模型更是少之又少。 1 3 2 对回旋区内燃烧状况检测的主要方法 ( 1 ) 直接检测法 1 ) 利用各种检测仪器直接测定燃烧室，如探测器、探测针、高速摄像机、内 窥镜等【3 6 1 。或者通过下部取料分析推断下部燃烧状况。近年来，许多这方面的研 究人员也研制了各种直接检测仪器，如一种综合探测器能同时测定料面及高度上 的压力场，并确定回旋区的外形。一种特制的脉冲热风速计，可测定料层的速度 场。 2 ) 利用各种物理或化学原理。诸如利用光子：光子是一种形式的能量，因而 燃烧反应发出的光子的数量和波长将直接影响到火焰的温度。反之，根据火焰温 度可确定燃烧反应发出光子的数量，进而确定燃烧反应的机理。 目前直接检测手段直接有效、可靠性强，但是费用比较高，并且现有的检测仪 器也大都只能测定高炉生产的某一项或几项指标。 ( 2 ) 冷模型实验法 这种研究方法主要是通过各种冷模拟实验，利用实验模型模拟燃烧室的燃烧行 为。但是在冷态模型上研究也有很大的缺陷。主要问题之一，是至今没有一个可 靠的方法模拟发生在燃烧室内的复杂现象，同时难以把定量的模型结果转移到实 际情况中去。 ( 3 ) 建立数学模型，进行数值模拟 在燃烧室内气流和焦炭在运动中，主要进行动量、质量和热量的传输，因此， 这种方法主要是建立各种运动方程和平衡方程，编制计算机程序，进行数值模拟 或者做成专业软件。现有的典型数学模型有以下几种： 1 1 回旋区反应的电量模拟与矩阵解析方法。该法通过回旋区物料平衡矩阵， 元素平衡矩阵，利用节点电流定律得到节点的平衡关系及相应矩阵，从而建立求 解反应率的矩阵表达式及回旋区热平衡表达式。 2 1 回旋区一维模型。该法用燃烧前后煤气平均流量的变化，近似的给出鼓风 摩尔流量，得到轴向气流分量，然后利用经验公式得到煤气流的径向分量。 3 ) 风口二维模型。该模型把焦炭看作是一种拟流体，按照湍流两相流原理， 建立双流体的运动方程、连续方程、煤气和焦炭之间相互作用力方程。 近年来，数值模拟研究燃烧室的方法得到了很大发展，研究学者们利用各种 理论基础，从不同的研究角度，各异的求解方式，建立了各类不同的数学模型【3 ”。 在数值模拟方面，可谓百花争艳，百家齐名。此法从理论高度上对燃烧室进行研 究探索，费用低，并且可以应用计算机对高炉生产进行在线监测。但是，由于问 6 1 绪论 题本身的复杂程度，特别是回旋区内高度非线性的湍流燃烧、耦合行为很难用几 个方程简单描述。所以，现有的数值模拟大都是着重分析问题的某一方面，建立 单方面的数学模型，至今还没有建立起关于燃烧室形状和大小、物理环境、化学 环境的综合数学模型网。另外，不可否认，各种数学模型都会与实际生产状况存 在差距。各种方法的对比如表1 1 所示。 表1 1 高炉回旋区检测方法对比 t a b l e1 1r a c e w a y e x a m i n a t i o nm e t h o dc o n t r a s t 1 3 3 回旋区的研究中存在的问题及发展前景 从近年来的研究进展可以看出，煤气流和炉料的相互作用及煤气涡流在很大 程度上决定着高炉炉身炉料、煤气分布形式。到目前为止，保持良好的回旋区形 状大小及物理化学行为对高炉生产的重要性已经很清楚。为此目的，炼铁工作者 们和这方面的专家学者采用直接检测、冷模型、数值模拟等各种手段和方法对回 旋区进行解剖、模拟，并写出了许多通过由实测值导出的无量纲相关式描述焦炭 回旋区形状的研究报告以及通过焦炭回旋区内动力学平衡的数值模拟描述焦炭回 旋区边界的研究报告但是，正如前文所提到的，迄今为止，虽然现有的研究方 法各有优势，但都不能堪称解决回旋区问题的灵丹妙药，对高炉下部风口前缘回 旋区的研究还有待于进一步的探索。 高炉风口回旋区对高炉顺行具有十分重要的作用，是高炉稳定操作不可缺少 的重要反应区。高炉炼铁生产过程具有以下三个特点：首先，高炉中的炉料由于 燃料中碳的燃烧和熔化渣铁的不断滴落，逐渐降落到燃烧所出现的空间，使燃烧 和熔化过程不断进行，从而导致了高炉中炉料的运动，使整个冶炼过程连续、稳定 的顺利进行；其次，焦炭回旋区的形状( 包括回旋区深度、宽度及高度) 对高炉下部 7 重庆大学硕士学位论文 气流及炉料下降影响相当大；再次，由于焦炭中的碳和由风口喷入的辅助燃料( 如 煤粉、重油等) 是在回旋区与鼓风中的氧进行燃烧而产生煤气的，而所产生的煤气 又是高炉生产所需化学能和热能的主要供给和携带者。所以，根据高炉风口回旋 区的研究来创造最佳的高炉冶炼条件是十分必要的。 目前为止对高炉炉身下部风口回旋区的分析和研究，形成了许多关于回旋区 的形成机理、形状大小以及回旋区内焦炭颗粒流和煤气流之间传热、传质、传动 量的诸多理论和模型。近年来，很大注意力集中在高炉数模上，很明显，建立一 个风口回旋区的数学模型是很重要的，操作者们用它可直接进行有效的操作。但 是，至今关于该领域的多数研究报告主要限制在测定物理行为方面，很少有人研 究回旋区的化学行为，而全面考虑回旋区形状大小、物理及化学行为的综合数学 模型更是很少。由于内部存在多组分气体、固体焦炭、液态炉渣、铁水之间复杂 的耦合力学过程和化学反应过程，目前仍没有形成严格的风口回旋区理论，对高 炉下部风口前缘回旋区的研究还有待于进一步的探索。 1 4 本文主要研究工作 本课题拟结合实际高炉的生产情况，以某高炉为实际研究对象进行冷态模型 实验研究，模拟研究高炉风口回旋区内气流流动状况、分布模式及回旋区大小随 工艺参数的变化趋势。为深入探索回旋区的工作状况奠定基础：为最终达到高炉 炉缸顺行，气流分布合理提供必要的参考。 近年来，由于两相湍流及其相互作用成为国际上的研究前沿和热点，湍流气 粒两相流理论的发展也为进一步改进回旋区的研究方法提供了新思路。本课题旨 在综合考虑气固两相流的基础上，根据相似原理和模化理论建立分析回旋区内的 气流、颗粒的运动的冷态物理模型，分析速度、组分等的变化规律，及其对高炉 生产顺行的影响。其主要研究内容有： ( 1 ) 依据相似模型实验方法，推导出回旋区模型的相似准则并设计制作高炉炉 缸冷态实验模型与风口回旋区实验模型； ( 2 ) 通过高炉炉缸的冷态模拟实验，研究风口回旋区内气体、煤粉颗粒的运动 模式及分布规律，分析影响回旋区大小的主要因素； ( 3 ) 用天然气模拟煤粉气化燃烧产物的方法来研究风口回旋区内煤气组分的 分布规律。综合分析回旋区内的气流、颗粒的运动模式，速度、组分等的变化规 律及其对高炉生产顺行的影响。 ( 4 ) 采用大型商用软件模拟回旋内的大小及煤气的分布规律。以验证冷态模型 所得数据的真实可靠行。 8 1 绪论 1 5 本章小结 本章对课题的学术背景、意义及主要研究内容作了概述，并对高炉风口回旋 区的形成和反应机理、国内外研究现状及发展前景进行了详细的概述。具体内容 如下： ( 1 ) 介绍了课题提出的学术背景，由于风口回旋区的燃烧状况对整个高炉的顺 行有着非常重要的意义，课题的研究也具有很强的实际意义。 ( 2 ) 分析了风口回旋区的形成和反应机理，对进一步研究回旋区内的状况有着 重要的指导意义。 ( 3 ) 详细分析了当前国内外对回旋区的研究进展及发展前景，指出了当前对高 炉风口回旋区的研究进展及存在的问题，明确了本课题的主要研究内容。 9 2 回旋区物理模拟理论与方法 2 回旋区物理模拟理论与方法 对物理现象有两种基本研究方法，即分析法和实验法”】。实验法是以实验测 试手段，直接对具体物理过程中有关的物理量进行测定，由实验结果找出相关物 理量之间的关系和变化规律。相似理论和相似模型法是在相似条件下，对物理过 程进行数理解析和实验研究，将所得结果推广应用于相似的同类过程，这是研究 自然现象及生产技术问题的重要方法嗍。 2 1 回旋区内气固两相流动冷态模化理论研究 回旋区内的流场是十分复杂的三维多相流动。相似第二法则认为4 ”，被同一 完整方程所描述的现象，当单值条件相似，且由单值条件的物理量所组成的相似 准则在数值上相等时，这些现象就必定相似。为了便于相似模化，假设回旋区内 的流动为气固两相流动，且气流的流动属于粘性不可压缩流体的运动 4 2 , 4 3 1 。 2 1 1 回旋区内气相运动的动力分析 描述高炉风口回旋区内气流运动现象的微分方程有连续性方程和动量方程。相 似模化的最终结果是要求模型与原型的流场完全相似，故描述回旋区内气流运动的 连续性方程及n a v i e r - s t o k e s 方程形式应完全相同1 4 4 4 5 1 。高炉风口回旋区内煤气运动 的连续性方程和动量方程分别为嗍： 罢+ 兰+ 譬= 0 ( 2 1 ) & “罢+ v 舅+ w 鲁) = 乓g 一芸+ ( 雾+ 雾+ 窘) q 力 & 【“瓦面+ w 瓦j - 乓g 一瓦+ l 孬+ 矿+ 虿j ( 2 2 式中： ， 、“w 为速度u 在x , y , z 方向的分量； 凡为密度； g 为重力加速度； “为动力粘性系数； p 为静压。 其单值性条件为： 几何条件：高炉炉缸的结构尺寸； 物理条件：岛= ( p r ) ，a = ( p r ) 等； 边界条件：气流的进出口速度、压力； 初始条件：起始时刻各未知量的数值。由于回旋区内是稳定流动，故不存在 重庆大学硕士学位论文 初始单值条件。 2 1 2 颗粒在气流中的动力分析 颗粒在气流中运动方程为【4 7 】： 鲁2m p m 。g - 专职譬一岛卺& 等 ， 且 咋2 害 ( 2 4 ) 式中，m p 为颗粒质量；u p 为颗粒速度矢量；以为颗粒密度；k 与c 为常数； r 酃为颗粒雷诺数；乓为颗粒迎风截面积；1 1 为指数变量；x 为颗粒运动矢量：t 为 定性时间。 其单值性条件有： 颗粒粒径以及密度砟： 颗粒的分布规律以及颗粒与气流速度的比值或颗粒与气流相对速度的比值。表 达式为： 2 勋 ( 2 5 ) 或 2 _ i ( 一u s ) = k u ( 2 6 ) 2 2 物理模型相似准则的导出 对两流动相似的系统，在整个流场内对应点上的各物理量相似。上述方程所有 微分符号全部去掉，沿各轴向的分量用这个量的本身代替，坐标用定型尺寸( l ) 代替， 某一点的速度用平均速度代替。在相似系统每个对应点上，原型与模型微分方程的 各项都对应成比例。 原型第n 项原型第n + i 项 模型第n 项模型第n + i 项 ， 此式进一步转换，则有 原型第n 项一模型第n 项 原型第n + l 项模型第n + l 项 式( 2 2 ) 等号左边为第一项，等号右边依次为第二、三、四项，则由上式可以得 到如下相似关系： 嚣：掣。譬苦一数 器5 翻i - r p u 鲁2 筹地制 第一项r 锄锄 钆、一刖。2 ” 口i “+ v + w 1- = 二 靠卵位j l 2 同旋区物理模拟理论与方法 第一项 第四项 。叠：p u 。_ a l ；r 。：常数 式( 2 3 ) 等号左边为第一项，等号石迈依次为弟一、= 、必、血坝，则伺 础 “一 霎墨：竺蓝。上m ：生：舶：常数 第二项 m p g研p g g t 。 篙2 面m p g m 薏= 笔2 常数 黼= 未w u p 筹为= 善啾删 r 2 粪；婴：一竺 主二一。m p ：生：常数 第五项乞i r a p 唯i d u p & 由式( 2 4 ) 一( 2 - 6 ) 可得：竽= 常数；考2 常数；挚2 常数 ，“ 上述描述回旋区内气固相流动的物理量有，、乃、岛、d p 、g 、1 、 p 及t 等1 0 个，而基本因次有质量 m 】、长度 u 和时间【t 】3 个。因此，根据量纲分 析的兀定理可以导出7 个独立相似准则，表达式为：乃：、助：一垒之、r e ：型、 g l p ： | l s t k = 岛d 1 “ p c 彦“u 1 以 、物：型、堡、生。 l p g1 s 2 3 相似准则的确定及模型比例计算 2 3 。1 相似准则的确定 本次冷态模化实验的主要目的是寻求高炉风1 2 1 回旋区内气体、煤粉颗粒的运 动模式，重点分析回旋区的形成机理以及气固相的分布规律，以便了解高炉炉缸 部分的运行状况。在进行模型实验研究时，为了保证模型中的流动与原型中的流 动相似，必须满足以下条件3 s 4 8 1 ： ( 1 ) 模型与原型流体通道的几何相似； ( 2 ) 模型与原型中的流体的物性相似； ( 3 ) 模型与原型的边界条件相似； ( 4 ) 模型与原型的初始条件相似； 重庆大学硕士学位论文 ( 5 ) 模型与原型的定性相似准则相等。 但是，要同时满足以上条件非常困难，下面以高炉风口回旋区的模化实验为 例加以说明。 高炉风口回旋区内气流的运动主要考虑实际高炉与物理模型满足以下四条相 似准则【4 9 】；模型与原型间几何相似；冷态气流运动进入第二自模区：模型与原型 在风口出口动量比相等；模型与与原型风口气流速度与回旋区中平均煤气速度之 比相等。但是在冷态实验中，原型与模型同时满足上述条件几乎不可能，必须采 取近似模型研究的方法【5 0 】。本文针对高炉风口回旋区气固两相流动的实际情况， 采取近似模化的方法。 在建立模型时，首先模型与原型间应满足几何相似；其次在高炉风口回旋区 内煤气运动可近似认为是等温稳态粘性不可压缩运动。根据实际高炉风口回旋区 内气流的流动状况，回旋区内流动属于强迫流动，故可以不考虑f f 准则。e u 准 则表示压力与惯性力的比值，反应了回旋区内高炉料层所产生的压力与惯性力之 间的关系。r e 准则反映了流体的流动状态，在几何相似的前提下，能确保模型与 原型的流动状态相似。由于原型内部各相流体运动复杂，各流体的温度、压力、 质量流量参数不同，在此选取空气进口雷诺数r e 作为参考量。同时保证模型内固 相料层与气相的密度比p p 。与实际高炉相应的密度比相等跚j 2 1 。 综上所述，由相似定理的同名定型准则相等和单值性条件相似即可得到反映 原型流动特性的相似模型 4 5 】。要使模型与原型中复杂的、有物理化学反应的多相 流动相似，建立模型时主要考虑以下重要的相似准则【5 3 】：e u 、r e 、料层下降速度 比u 旭。 2 3 2 高炉炉缸模型主要参数的确定 本实验共建立了两个冷态实验模型，即高炉炉缸的冷态模型与回旋区的冷态实 验模型。各实验模型采用了不同的模型比例。对于高炉炉缸的冷态模型，按实际高 炉1 5 ：l 比例缩小并保证模型与原型的几何相似。原型高炉炉缸直径8 2 m , 风口直径 0 1 3 5 m , 压力2 5 0 k p a , 1 1 0 0 c 的空气流速2 4 3 n m 3 $ ，空气的动力粘度为 4 9 8 8 1 旷n 妇1 2 ，实验几何比例为c l = 1 5 。即高炉模型炉缸部分直径o 5 5 m ，风口 直径0 0 0 9 m ，高1 7 m 。， 计算原型雷诺数： r e ：垒丛：一：5 1 旷 。 心0 8 8 7 5 x 2 4 3 x 0 1 3 3 7x498 8 x 1 0 - * 当雷诺数大于5 0 ，0 0 0 时可认为气流处于阻力平方区即第二自模化区。空气进口 温度2 0 c 时，空气的动力粘度为1 8 0 6 x 1 0 6 n s m 2 。于是相应的模型流速为： 虬2垦! ! 兰丝：! 兰! 旦：兰! ! ：丝兰! q 二 成， 1 2 9 3 x 0 0 0 9 1 4 = 7 7 6 m s 2 回旋区物理模拟理论与方法 因原型与模型的速度比例e = 兰t = 3 1 3 ，则可根据相对雷诺数 i q = i “，- u , 1 6 ，相等来计算回旋区煤粉颗粒的粒径： 拿：粤出：f 睦! 坐竺婪：! 生乩2 8 ：一= - 一= ：7 ：l 一= = - ，x 眵 l h 一u 。l x v j 3 1 3 ( u ，一7 7 6 ) 1 “1 8 0 6 1 0 4 o 8 8 7 5 即原型煤粉直径为模型的1 2 8 倍。根据几何相似的准则，高炉与模型内炉料颗 粒尺寸比为1 5 ：1 ，原型炉料平均直径为4