（机械设计及理论专业论文）高炉燃烧室内气粒两相流动和反应机理研究及数值模拟.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 针对全球高炉大型化的发展趋势，结合我国高炉冶炼的实际情况， 本文在系统的分析了整个高炉燃烧室的物理和化学运动、反应机理的基 础上，针对燃烧带和回旋区的不同运动机理，对燃烧带和回旋区分别进 行了模拟、验证。主要内容包括： 1 对相关领域的国内外发展现状及趋势做了综述，详细阐明了燃烧 室的反应形成机理。本文认为高炉燃烧室由风口燃烧带和上部回旋区共 同构成，由于风口燃烧带属于层流流动，而上层回旋区则是更为复杂的 湍流流动，因此首先对燃烧带和回旋区机理分别进行了细致的研究论述。 为建立正确的数学模型提供了良好的基础。 2 对燃烧带内的气体流动物理过程和传热传质化学过程分别进行 了分析，提取出模拟燃烧带的一维数学模型，作了详细的求解分析及结 果讨论。 3 燃烧室回旋区内，焦炭颗粒在高温气流的带动下作回旋运动并伴 有化学反应，传热传质现象。因此本文以流体力学和传热传质学为基础， 建立了一个综合模拟回旋区物理化学过程的三维数模。并将冷态计算结 果与用p d a 试验测量系统测量得到的冷态试验数据作了分析对照。 4 利用现有的大型流体软件进行二次开发来分析实际工程问题可以 免去对复杂方程的求解，成为越来越受欢迎的方法，本文利用国外大型 流体软件对回旋区进行了模拟，结果与计算结果符合良好，可视化效果 大大增强。 5 对课题所作工作进行了系统总结，并对进一步发展的前景提出了 瞻望。 本课题在研究开发过程中，力求做到与我国的钢铁冶炼工况贴合， 并使其具有前瞻性。在保证模拟的拟实性、方法的先进性的基础上，增 强了可视化效果，并注意与高炉上部软熔带模块实现信息共享和通信。 实验证明了本文模拟结果符合实际工况，本课题具有广阔的发展前景和 实际工程应用价值。 关键词：高炉燃烧室燃烧带回旋区层流湍流燃烧 i v 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t f a c i n gt h et r e n do f b l a s tf u r n a c e se n l a r g e m e n to f t h ew o r l d ，c o m b i n e d w i t ht h er e a lo p e r a t i n gp r o c e s so fo u rc o u n t r y sb l a s tf u m a c e s ，b a s e do n s y s t e m a t i ca n a l y s i so nt h em e c h a n i s mo ff i r e b o xo fb l a s tf u r n a c e ，t h i sp a p e r s i m u l a t et h ei g n i t i o nb e l ta n dr a c e w a yr e s p e c t i v e l yf o rt h e i rd i f f e r e n t k i n e t i cm e c h a n i s m d e t a i l e dc o n t e n t sw e r ei n t r o d u c e da sf o l l o w s ： 1 t h e d e v e l o p m e n t a l a c t u a l sa n dt r e n d si nt h er e l a t i v e 丘e l d sa r e s u m m a r i z e d ，t h em e c h a n i s mo ff i r e b o xi se x p a t i a t e d a c c o r d i n g t ot h i s p a p e r ，f i r e b o xi n c l u d e sb o t hi g n i t i o nb e l ta n dr a c e w a y b e c a u s et h ea i r f io w i sl a m i n a rf l o wi nt h ei g n i t i o nb e l tw h i l et u r b u l e n tf l o wi nt h er a c e w a y a s t h eb a s i c so fb u i l d i n gm a t h e m a t i cm o d e l s ，t h ek i n e t i cm e c h a n i s mo fb o t h i g n i t i o nb e l ta n dr a c e w a ya r ed i s c u s s e di nd e t a i l 2 t h ep r o c e s so fg a sf l o wa n dt h et r a n s f e ro fh e a ta n dm a s sa r ea n a l y z e d r e s p e c t i v e l y , am o d e ls i m u l a t i n gi g n i t i o nb e l t i sb u i l d e d ，t o g e t h e rw i t h d e t a i l e ds o l v ep r o c e s sa n dr e s u l td i s c u s s i o n 3 i nt h e r a c e w a y ，t h e c o a lm o v ew h i r l y , c o m b u s t i n g b a s e do n h y d r o d y n a m i c sa n dh e a ta n dm a s st r a n s f e rt h e o r y , t h i sp a p e rb u i l da3 d m a t h e m a t i cm o d e lt os i m u l a t er a c e w a y t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t hp d a e x p e r i m e n t 4 u s i n gh y d r o s o f t w a r et oa n a l y z ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e mc a na v o i d s o l v ec o m p l i c a t e de q u a t i o n sa n db e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r t h i sp a p e r s i m u l a t et h er a c e w a yb yo v e r s e a sh y d r o s o f t w a r e ，t h er e s u l t sa r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t hc a l c u l a t i v ev a l u e ，t h ev i s u a le f f e c ti sg r e a t l yi m p r o v e d 5 i nt h ee n d ，a l lt h ec o n t e n t si n c l u d e di n t h ep a p e ra r e s y s t e m a t i c a l l y v 山东大学硕士学位论文 s u m m a r i z e d ，t h ef e r e g r o u n do ft h i ss u b j e c ti sa l s op o i n t e d d u r i n gt h er e s e a r c ha n dp r o g r a m m i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e rn o to n l y p u r s u e dt ok e e pu pw i t ho u rc o u n t r y sc u r r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s 。b u ta l s o l o o k e df o r w a r dt ot h ef ut u r et r e n d d u r i n gb u i l d i n gm o d e l s ，t h i sp a p e rn o t o n l ye n s u r e de a c hm o d e l si n d e p e n d e n c ea n dc o h e s i o n ，b u ta l s oe n s u r e dt h e e f f e c ta n de x a c td a t at r a n s f e r r in g t h i ss y s t e mh a s s u c hc h a r a c t e r sa s c r e d i b i l i t y , e a s y o p e m t i n ga n de x p a n s i b i l i t y , w h i c hw e r ep r o v e db y e x p e r i m e n t sa n dp r o v i d e df o u n d a t i o nf o rt h el a t e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：b l a s tf u r n a c e ，f i r e b o x ，i g n i t i o nb e l t ，l a m i n a rf l o w ，t u r b u l e n t f l o w , c o m b u s t i o n v l 山东大学硕士学位论文 物理量名称及符号表 五一一风口直径m 占一一综合热鼓风的动能与在风口燃烧的焦炭流势能有关的一个参数 以一一有关回旋区长度与高度的形成参数 廊，俨从实验数据统计获得的参数 ，b 一一风量m 3 s ，一一富氧率( 每立方米干空气中的含氧量) 矾t 一一鼓风湿分( 每立方米干空气中的含水质量) g m 3 f o 1 、凡2 一一燃烧前后的气体流量，m 3 s 凡一一平均流量m 3 s d h 一一炉缸直径m f 一一计算系数 c l - - - - 臌体组分f ( 1 ：0 2 ，2 ：c 0 2 ，3 ：h 2 0 ，4 ：c o ，5 ：h 2 ) 的摩尔浓度 y f 一一反应气体组分f ( 1 ：0 2 ，2 ：c 0 2 ，3 ：h 2 0 ，4 ：c o ，5 ：h 2 ) 的摩尔分数 ，f 一一扩散速率t o o l ( l s ) c g 、c c 一一气体和焦炭的质量热容k j ( k g k ) 瓦、疋一气体和焦炭的温度k 一厶研一一反应热k j t o o l a 一一比表面积，m 2 g p 一一气体和固体颗粒间的传热系数 一一每分钟鼓风量m 3 r a i n 既一一热风密度k g m 3 瓦一一热风温度( 开氏温度) k p d ，以一一标准大气压和热风压力p a w 、矿一一鼓风中的含氧和水汽量g m 3 c 厂一焦炭中的含炭量， d - - - - 天然气用量m 3 h - - - - 回旋区的高度m g 一一重力加速度n k g 一一求解变量， n 一一传输系数 v i i 山东大学硕士学位论文 品、乳一一气相和两相相互作用的源项 卜一温度；t o = 2 7 3 k “， 扩一速度分量i m s k 、r 一一湍流动能j 、湍流动能耗散率， p 一一密度i k g l m 3 1 一一动力粘性系数 f 一一剪应力i n 月一一颗粒数密度i n l m 3 y - - 一质量分数 巧一一反应率i k g l ( v 3 s ) e - 一活化能h 一一颗粒数总通i l k g l ( m 2 s ) q 一一热量j v i i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 。究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：殛望金日期：丝夔幺趁 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趁疆公导师签名：亡奎叠聋日期：丝选幺丝 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的学术背景及其理论与实际意义 钢铁工业是国民经济的重要支柱行业近二十年来，我国在钢铁工 业上投入了大量资金，钢铁生产能力迅速增长，到1 9 9 6 年，中国钢产量 达到l 亿吨以上，超过日本、美国等国家而跃居世晃第一位，中国已经 成为个钢铁大国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12 国的高炉座数从1987 年的95 座减少到1 9 92 年的72 座，同期生铁产量由88l0 万吨增加到8860 万吨， 平均单炉年产量由92 7 万吨上升为l23 万吨。预计到2o05 年高 炉座数将进一步减少到57 座。北美的高炉座数由l973 年的170 座减少到l9 93 年的49 座，同期生铁产量由l0100 万吨减到5 90o 万吨，但平均单炉年产量却由59 4 万吨增加到120 4 万吨。 其中美国高炉座数近10 年又减少了16 7 ( 8 座) ，而生铁产量却 增加了27 日本高炉座数从1973 年的60 余座减少到l993 年的33 座，同期生铁产量从90 00 万吨减少到7374 万吨，但平 均单炉年产量却从150 万吨增加到223 5 万吨近几年日本生产高 炉座数又进一步减少到30 座，平均单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。高炉大型化对生产的促进作用十 山东大学硕士学位论文 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 下部吹迸的高温高压的热风，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 高炉燃烧室是整个高炉生产的熟量和能量之源，是高炉稳定操作不 可缺少的重要反应区，堪称高炉的“心脏”( 如图l l 所示) 。因为： 高炉中的炉料，正是由于燃料中碳的燃烧和熔化渣铁不断滴落，炉料 逐渐降落到燃烧所出现的空间中，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、稳定的顺利进行燃烧 室中回旋区的形状( 回旋区深度、幅度及高度) 对高炉下部气流、炉心活 性度及炉料下降影响相当大由于焦炭中的碳和由风口喷入的辅助燃 料是在燃烧室中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，燃 烧室的形成和反应情况，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所以，对燃烧室内的物 图l 一1 高炉燃烧室的位置及截面图 2 燃烧室 山东大学硕士学位论文 理和化学反应机理进行研究，对创造最佳化的高炉冶炼条件十分必要， 对于提高炼铁效率和提高钢铁质量也就有了很实际、很现实的意义。 1 2 高炉燃烧室的形成及反应机理 图l 一2 为高炉燃烧室的示意图。借助内窥镜观测高炉风口区，可以 发现风口前存在一个喷射空间，呈圆柱形，直径与风口相当，其中包括 很多焦炭颗粒，此区间称为风口燃烧带，是整个风口循环区的重要组成 部分。燃烧带是一种充填床，其中包括许多焦炭颗粒并产生一定的空 隙度。另外，随着鼓风速度的提高，在燃烧带上方，有一个焦炭在其内 绕一点( 图中p 点) 作回旋运动的空腔，这个空腔称为回旋区乜1 燃烧 带以及回旋区共同构成了高炉的燃烧室 图1 2 燃饶窜示意图 燃烧室内的焦炭运动是在气、固、液三相流中进行的，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。因此，整个燃烧室内，由于 焦炭、煤气的运动和炭的燃烧反应，存在一个物理环境和一个化学环境 焦炭颗粒和煤气流之间的动量传递、二者之间的运动过程及其相互作用 构成了物理环境；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。整个燃烧以及传质传热过程就构 成了化学环境。燃烧带内，气流和焦炭颗粒处于一种层流状态，流动状 况比较简单：在回旋区，气粒两相则是紊流态，其流动和热传递都比较 复杂。 山东大学硕士学位论文 1 3 相关领域的研究进展 由于燃烧带处于高炉风口正前方，观测、取样都比较容易，对其内流 动及燃烧状况的研究已经非常广泛，深入，其物理及化学反应机理已经十 分清楚。具体原理将在第三章详细论述。 回旋区内的物理、化学变化十分复杂。炼铁工作者对此一向予以足够 的重视，并作出了不懈的努力，探讨研究这方面的课题。提出了研究回旋 区的许多方法，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。但由 于问题本身的复杂性，对有关这方面课题的研究还不那么广泛和完善，而 且有待进一步深化。目前，炼铁工作者们主要围绕回旋区的形状及大小、 回旋区的物理环境、回旋区的化学环境这三个方面从各种角度对高炉下部 回旋区进行各种研究 1 3 1 关于高炉回旋区大小和形状的研究发展 很明显，高炉回旋区从煤气和炉料流线的形成和传热传质过程发展 的角度来看都有很重要的意义。因此，对研究它的形状和尺寸问题，总 是给予极大的关注目前，研究确定回旋区大小的方法主要有以下几种 【3 】： ( 1 ) 在冷态模型上研究高炉回旋区结构。例如，苏联冶金热工科学研究所 的杜尔诺夫等人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，因此能目测回旋区 ( 2 ) 依据某些鼓风流和焦炭层的相互物理作用的数学模型来确定回旋区 的形状和大小此类方法的一个典型代表是日本住友金属工业公司的烟 野道春等人用流体力学理论建立的理论模型。该模型把焦炭作为一种假 流体来处理，回旋区的边界看成是气体和焦炭相互作用达到一定临界值 的轮廓。 ( 3 ) 另外一些分析中，找到了生产高炉和量纲复合物理值的物理模型，直 接测定回旋区大小之间的相关性应用这种方法，由于所选参数及研究 角度的差别，出现了确定回旋区大小的各种表达式。下面这个公式即为 常用于计算高炉炉缸数学模型回旋区长度的一个关系式： 4 山东大学硕士学位论文 l * o d 。= m ( b k 。) 1 3 2 目前，国内外对燃烧室内物理或化学环境研究的主要手 段和方法 ( 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。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一 一一 2 ) 利用各种物理或化学原理诸如利用光子1 ：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 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 ) 冷模型试验法 这种研究方法主要是通过各种冷模拟试验，利用试验模型模拟燃烧 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，同时难于 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，进行数值模拟州州7 1 或者做成专业软件8 m ”现有的典型数学 模型有以下几种： 1 ) 风口区反应的电量模拟与矩阵解析方法。该法通过风口区物料平衡矩 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风口区热平衡表达式。 2 ) 风口区一维模型。该法用燃烧前后煤气平均流量的变化，近似的给出 山东大学硕士学位论文 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。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 综合数学模型另外，不可否认。即使是再拟实的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l 一1 高炉燃烧室研究方法对照 方法名称国内现状 国外现状 优点缺点 探测器、探 探测器( 针) 、，直接有效费用高， 直接检测针，高速高速摄像机、内可靠性强测量指标单一 测法摄像机、内窥镜利用光子 窥镜等物理化学原理 可模拟湍 湍流和燃烧现象 容易实现无法模拟复杂 冷模型流现象，燃可研究个别现象难于把定 均可模拟 试验 烧现象模拟因素的单独影量的模型结果转 比较困难响移到实际情况中 单模型发展很 具有理论高综合模型不易 数值模单模型发展 快综合模型也 度费用低 建立模拟结果 拟法 比较迅速 有所发展可用计算机进与实际生产状况 行在线监测存在差距 6 山东大学硕士学位论文 1 3 3 目前关于回旋区研究存在的问题及进一步发展的前景 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1 ：1 前缘 回旋区的研究还有待于进一步的探索。 纵观现有的数学模型，大都是着重从某一角度或方面对回旋区进行 研究，建立单方面的数学模型，至今还没有建立起关于回旋区形状和大 小、物理环境、化学环境的综合数学模型 实际生产中，高炉燃烧室回旋区内的燃烧是在湍流条件下进行的。因 此，以流体力学、传热传质学和燃烧学为基础的多相湍流理论为我们进一 步更好的研究高炉提供一个新的思路。如果观察一下近年来两相流或多相 流研究的发展趋势，不难发现，两相湍流及其相互作用是近年来国际上研 究前言和热点问题之一实际上，湍流两相燃烧，如雾液和煤粉燃烧，广 泛存在于燃气轮机燃烧室、航空发动机加力燃烧室、冲压发动机燃烧室、 火箭发动机燃烧室、内燃机、锅炉和工业炉中为此，这方面数值模拟计 算得到了迅速发展，已成为工程设计的一种有用的工具。我们完全可以以 湍流气粒多相流动和燃烧理论为基础，创立一个描述高炉回旋区复杂物理 和化学变化的综合数学模型为此，作者对近年来湍流气粒多相流理论的 发展状况做了大量研究工作。 1 3 4 湍流气粒多相流数值模拟理论研究现状综述 气粒两相流动是近几年来新兴的一门学科，但是由于多相流现象广泛 存在于各行各业，吸引了大批学者进行此方面的研究，目前国内外对湍流 气粒多相流数值模拟理论和方法主要集中于以下几点： 7 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 对颗粒相的模拟 描述气粒流动的主要问题在于模拟颗粒相，对颗粒相不同的处理方 法，就形成各类不同的数学模型“。表l 一2 即为常用的各种颗粒相模型。 表1 2 颗粒相模型 处理 坐标 模型 相间耦合相间滑移颗粒湍流脉动 方法系 单颗粒动力离散 单向 有拉式无( 扩散冻结) 学( s p i ) )体系 小滑移模型连续滑移= 扩 单向 欧拉扩散= 滑移 ( s s ) 介质散 无滑移模型连续部分的双 无欧拉有( 扩散平衡) ( n s ) 介质向 无( 确定轨道) 轨道模型离散 双向有拉式或有( 随机轨 ( p t ) 体系 道) 拟流体模型 连续 双向有欧拉有 ( m f )介质 ( 2 )“微观”模拟和“宏观”模拟 气粒两相流动的研究一般都可以从微观、统观两个角度进行。微观” 和“统观”是彼此促进、相辅相成的。图l 一3 即为现有的各类微观模拟 和统观模拟方法分类示意图，各类模型的详细介绍请参见参考文献 1 2 2 8 。 微观模拟 直接 模拟 混沌动力 学研究 离散涡 模拟 大涡 模拟 山东大学硕士学位论文 统观模拟 流体湍流模拟 气粒多相湍流模拟 图1 3 湍流模型分类 可以看出。此类研究基本上有两类不同的方法，一类是把流体或气 体当作连续介质，而将颗粒视为离散体系；另一类是把流体或气体与颗 粒都看成共同存在且相互渗透的连续介质，即把颗粒作为拟流体近年 来，在研究有化学反应的气粒流动时，也探讨了诸如颗粒相的连续介质 一轨道模型这样的综合方法综观国内外研究现状，湍流气粒两( 多) 相流的研究处于一种多种模型并举的局面，以便相互间取长补短。 1 4 课题的来源及主要研究内容 山东省莱芜钢铁股份有限公司是我省的一家大型钢铁制造企业，主 要生产和销售各种型号的钢铁产品，生产制钢生铁，年生产能力2 7 0 万 吨。由于高炉原燃料条件变化大、检测信息较少、炉况波动较大的特点， 悬料、崩料、管道以及炉缸冻结等严重影响高炉使用寿命和高炉产量的 事故时有发生，不仅造成严重的人员伤亡，也导致生产效率低下，经济 效益损失巨大，产品质量得不到保证。因此，急需建立一套适合莱钢高 炉自身特点的高炉冶炼过程可视化运行系统为此，“高炉生产全过程 数字化虚拟现实”课题是在山东省科技发展计划项目( 0 1 2 0 5 0 1 0 7 ) 和 山东省自然科学基金项目( y 2 0 0 2 f 1 9 ) 的资助下，针对阻碍我国高炉 大型化进程的关键难题，专门立项攻关的课题它的实施对于提高我国 9 山东大学硕士学位论文 钢铁冶炼的效率和提高钢铁质量将起到重要的作用。 针对高炉炼铁急待研究解决的上述难题，我们通过现场考察，对高 炉的炼铁状况进行了全面的、系统的分析，将整个高炉分解为三大部分： 底部燃烧区、中部软熔区、上部进料区，并计划依托国内外各种先进软 件二次分别对其进行模拟。本课题主要研究底部燃烧室的反应机理并进 行数值模拟，因此需要着重从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 深入研究高炉底部燃烧区的物理及化学反应机理，形成一套系统的燃 烧区机理理论； ( 2 ) 由于燃烧带和回旋区的燃烧方式不同，需要分别建立数学模型，进行 数值模拟： ( 3 ) 基于可视化软件平台，以数学模型为基础，借助软件二次开发实现高 炉燃烧室的可视化； ( 4 ) 完成冷态实验，并将各类结果分析对照、验证。 1 5 本章小结 本章对课题的来源、意义及主要研究内容作了概述，重点对高炉燃烧 室的形成、物理和化学反应机理、国内外研究现状及迸一步发展前景进行 了概述，具体内容如下： 1 介绍了课题的来源，由于燃烧室对整个高炉顺行生产意义重大，课题 具有很强的实际意义。 2 分析了燃烧室的形成及反应机理，把燃烧区看成是物理环境和化学环 境相互耦合作用的结果。 3 对课题相关领域近年来的发展状况做了概述，指出了进一步发展的前 景，明确了课题的主要研究内容 1 0 山东大学硕士学位论文 第2 章课题的需求分析及方案设计 2 1 课题需求分析 “高炉生产全过程数字化虚拟现实”这一课题主要是针对国内外高炉 大型化进程中所引发的两大难题来展开的。这两大难题之一是大型高炉 炉内燃烧及熔融状态更加复杂发达国家在炼铁生产条件方面比较先进， 但对于高炉大型化生产的冶炼机理及生产工艺仍有理论缺陷，并且其生 产工艺也不完全适用于我国高炉炉况。而目前国内对大型高炉生产技术 及工艺主要还是依靠引进，自主研发也主要集中在改进、改造自己的设 备来贴近国外的生产条件；引发的难点之二是炉内冶炼状况要求多过程 可视化。只有这样才能更好的利用大高炉的优势，否则可能起到相反的 效果。发达国家高炉冶炼多过程可视化技术目前来说还未见报道，国内 的大中型高炉正在采取炉顶摄像监控系统，用以监测布料和煤气流分布 但是这种炉顶摄像监控系统也仅仅能够看到炉顶上部的物料分布情况， 对于至关重要的高炉下部风口燃烧区以及中部的矿石熔化所形成的软融 区，它是无能为力的 研究高炉燃烧区部分的目的就在于深入理解燃烧室内气流和焦炭的 运动及燃烧机理，控制影响燃烧效果的各因素，达到最佳的燃烧效果 参照有关资料n 们n ”，本文认为一个理想的燃烧室应满足以下工程需要： ( 1 ) 燃烧充分，有利于高炉炉况稳定顺行； ( 2 ) 产生合理的煤气流，促进高炉内热能和化学能的充分利用，获得较低 的燃料比； ( 3 ) 有利于保护炉衬，延长高炉寿命； “1 能为获得优质生铁创造条件 因此，根据工程需要。课题的主要任务： ( 1 ) 明晰燃烧室内气流，焦炭，煤粉的相互运动及反应状况，形成一套系 统的拟实的燃烧室燃烧状况理论。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 用数值模拟方法真实再现整个燃烧区的燃烧状况，分析各参数对燃烧 效果的影响，以便达到最佳的燃烧效果。 ( 3 ) 试验验证预报结果的准确性。 ( 4 ) 借助大型流体软件，增强模拟的可视化效果 2 2 课题研究方案的设计论证 ， 2 2 1 课题研究方案设计 对课题的需求进行了分析并结合文献检索了相关资料【3 1 】 【3 6 i ，确定 两条比较可行的研究方案。 方案一：燃烧室是整个高炉生产的热量和能量之源，因此从源头着 手研究，彻底剖析发生在高炉燃烧区的物理和化学反应机理，建立抽象 的数学模型，然后选用适当的开发工具和可视化语言来模拟高炉燃烧区 由于燃烧带内的气粒流动属于层流流动，而回旋区则是更为复杂的湍流 气粒两相流动，根据流动机理的不同，分别建立数学模型。对模型的预 报结果进行验证并对模型进行反复修改。 方案二：借助于国外先进的大型燃烧及流体力学研究软件来模拟高 炉回旋区的固一液耦合多物理过程，充分利用其先进的求解器和后处理 模块，增强模拟的可视化效果。 本课题采取两条方案并行的研究策略。 2 2 2 方案可行性分析 ( 1 ) 虽然高炉燃烧室内的微观现象十分复杂，但其宏观特性却呈现出明显 的规律性，包括宏观的温度场、速度场、浓度场等特性，这表明用数学 方法来描述这种过程是可能的。( 2 ) 数值模拟方法和计算机技术的迅速发 展更使这一发展成为可能。 ( 3 ) 许多国外大型流体软件现在比较成熟，具有很好的可视化效果。 2 2 3 课题的创新点 ( 1 ) 理论创新：燃烧室一直被认为是简单燃烧的空间，对其研究比较单 一、片面。本文根据燃烧室不同部分不同的运动及反应机理，把燃烧室 分成燃烧带和回旋区两部分研究，而将回旋区看成是一个物理环境和一 t 2 山东大学硕士学位论文 个化学环境耦合的相互作用区( 2 ) 方法创新：由于高炉燃烧室内气体和 焦炭的运动、燃烧过程复杂，过去所建数学模型，往往只侧重物理或者 化学反应二者之一。这就造成模拟结果的片面、失真性。本文摆脱传统 的研究思路，以现代流体力学和传热传质学为基础，从气粒两相湍流这 一新角度建立了一个通用的模拟高炉回旋区内流动及燃烧状况的综合三 维数学模型，综合考虑了物理过程和化学过程以及二者之间的相互耦合 作用，取得了良好模拟效果 ( 3 ) 具有较强的可视化效果：数值模拟方法拟实效果虽然好，但可视化效 果不强。因此，在对高炉燃烧室进行数值模拟的基础上，运用国外大型 流体软件对燃烧室进行模拟，简化了计算，而且数值模拟方法和软件模 拟能相辅相成，极大的增强可视化效果。 2 3 本章小结 根据实际工程需要，对课题进行了需求分析，并依此确定了课题的 研究方案，对方案的可行性进行了论证，指明了课题的创新之处 山东大学硕士学位论文 第3 章燃烧室中燃烧带一维数值模拟 借助内窥镜观测高炉风口区，可以发现口前存在一个喷射空间，其中包括很 多焦炭颗粒。此区间称为风口燃烧带，是整个风口循环区的重要组成部分。 3 1 燃烧带内焦炭的运动、燃烧机理 在高炉风口前方。由于热风鼓入，速度较高，因而形成一个喷射空间。此空 间呈圆柱形，其直径与风口相当，称为燃烧带。燃烧带是一种充填床，其中包括 许多焦炭颗粒并产生一定的空隙度。燃烧带内，焦炭颗粒一方面在气流的带动下 运动，另一方面在高温条件下与氧气发生反应，因此燃烧带内气流流动过程和传 质传热过程并存，如何定量的来描述和确定此两个过程以及它们之间的相互作用， 是高炉风口燃烧带研究的一个重要内容。燃烧带内气流和焦炭的运动为层流流动， 而化学变化过程主要存在以下四个反应【3 1 限i r 4 表示各化学反应速率) ： c ( s ) + 0 2 ( g ) = c 0 2 ( g ) ；r h m 0 ( 2 9 8 1 5k ) = 一3 9 3 5k j 皿o lr l c ( s ) + c 0 2 ( g ) = 2 c 0 ( g ) ； r h m 0 ( 2 9 8 1 5k ) = + 1 5 7 8 4 8k j m o l r 2 c ( s ) + h 2 0 ( g ) = c 0 ( g ) + h 2 ( g ) ：r n m 0 ( 2 9 8 1 5k ) = + 1 3 1 5k j m o l r 3 2 h 2 ( g ) + 0 2 ( g ) = 2 h 2 0 ( g ) ；r h i n o ( 2 9 8 1 5k ) = 一4 8 3 6k j m o l r 4 3 2 燃烧带内流动和燃烧过程分析 根据理想模型，在燃烧带稳定状态下的传热、传质过程是公式化了的田j 。在距 离风嘴x 和x + d x 距离间，喷射空间的物理形状及典型截面上的燃烧带如下示意图 所示( 图中口为风口直径，m ：b 为水平分力，n ) 图3 - 1 燃烧带形状及典型截面示意固 3 2 1 基本假设 ( 1 ) 燃烧带为圆柱形喷射空间，其直径与风口穿透距风嘴1 5 m 深度相当； 1 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 燃烧区域为一个包含直径为o 0 2 m 焦炭颗粒的松散床层； ( 3 ) 环绕此空间的焦炭床中，焦炭直径为o 0 4 m ，床层空隙度为0 4 。 3 2 2 气体流动过程分析 用燃烧前后的平均流量，近似地给出鼓风摩尔流量。燃烧前后的气体流量可 分别表示为： f o l 。；y 瓦b 潞1 0 0 0 饕7 奠92 篡2 + 1 篇 1 2 2 4 + 2 x 呒1 8 ， m if 如= ，b 【o + ( o + 黟r o ，)+ 讳0 ) ” 因此，根据高炉截面积，平均流量可简化为： 一f o = 2 x ( f o i + ) ( z t d b ) ( 2 ) 关于邻近上部边界的流量，沿风口轴线向上的分力r 水平分力e 之间具有如 下关系： e r - - - 2 3 e r f ( o 5 e ，f o 一2 ) + 2 9( 3 ) 3 2 3 传热传质过程分析 在距离风嘴石和x + d x 距离间，根据全部气体对微分单元的质量平衡，得： 一d f ；d x = 4 l 手d + ( 4 ) 由( 4 ) 式联立每一气体组分的质量平衡式得： 妙f d x = ( y ，一r , ) f x ( 5 ) 考虑到气体和焦炭的热量在质量内流动的局部平衡，气、固体间的热交换以 及化学反应放出的热量，得以下热平衡方程式 f 53 1 d 毛出= c l 磊+ e 瓦碍+ 碍( 吗) 一如口( 五一) e ( c ；+ 五d 。d t 8 ) ) l 1 = 1= ij i j ( 6 ) 燃烧区内，假定焦炭颗粒的温度与周围气体温度有关： 疋= o ，8 0l 3 3 数学方程及其数值解法 3 3 1 数学方程组 联立以上各式，可得以下方程组。通过求解，可提供任何位置的气体温度和成 山东大学硕士学位论文 ! 苎曼! ! ! ! 曼! 苎皇! 鼍! ! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! 詈! 苎! ! ! ! ! 皇! 暑! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 皇 分。 r b f o = 2 3 e r r ( 0 巩f o 一2 ) + 2 9( 8 ) l d f ，d x = 4 f ，亭d + e ， ( 9 ) la y d x = ( y ，r t 一- ) ，l 0 0 ) 4 l， 3 4 、 、d r s & = c l 气+ c c 正群+ y r 3 - m , ) - h ：g r o ) i f f , ( g + 毛d 铝i d r g ) ) ( 1 1 ) 3 3 2 边界条件 f x o - - f ol ( # d 2 r 4 ) y 1 0 2 ( 1 - y 3 0 ) ( 0 2 1 + ) ( 1 + ：) 姐。动o = 姗卸 y z o - - w d w “+ 1 0 0 0 ( 1 + ，) ，1 2 4 4 ) 2 死 式中1 7 为风口数量；脚注0 代表风i ：1 嘴处的情况。 3 3 3 数值解法 由( 8 ) 式可得， e = 2 3 e r 厂( o 5 只一2 ) + 2 9 ) 磊= 厂( ) 把f ，代入( 9 ) 式，并采用差分格式对各式进行分解，得到以下方程组： 式中； r 1 2 r j + ( 1 2 ) r 4 r 2 = r 2 一r lr 3 = r 3 - r 4 r 4 = - 2 r 2 r 3r s = r 4 r 3 其中tr i = k c i = k p + y ( r t g ) ( i = l 3 ) 1 6 坦 n 矽 d 兰! 嘲 ，器耐 + 司 驰 吩融1 一 -一汀。岛埘 ，西：西埘 懈 忸 讥 ， 洲岛耐一b 莓学 山东大学硕士学位论文 睁丁r 3 y l - - - 0 0 5 k0 y i d 0 5 对以上方程组采用非线性方程组的g s 迭代算法，编制计算程序( 部分程序 附后) ，即可求解。鼓风条件和高炉的一些初始数据如下表所示。 袭3 - 1 高炉初始数据列表 3 4 结果数据及分析 3 4 1 结果数据及拟合曲线 求解可得风口轴线上任何距离的气体成分和温度我们取几个关键点的数据 输出并列表3 - 2 如下； 表3 - 2 关键点韵计算数据列表f f g ：温度；y l ：o - 2 ：c 0 2 ，3 ：h 2 0 , 4 ：c o , 5 ：h z ) ：气体摩尔分数) f g l l r e 3 2 n e 翻叫1 a t e d d 出o f s o 鹏k c y p 啪魄：蜘驴删m ；螂王k 2 ：c o h ，= h n 4 ：c 0 ，5 ：h d ：m o l 帮r a t i o ) i t e m l y i y 2y 3y 4弘 k p ( x ) 01 2 7 3 0 0 0 o 2 0 3 9 1 20 0 0 0 0 0 00 0 2 8 9 9 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 3 1 3 3 7 4 7 6o 1 8 0 4 l l 0 0 1 6 6 6 70 0 2 7 3 6 40 0 0 0 8 0 60 0 0 0 0 0 0 0 61 3 9 6 6 6 70 1 3 9 9 3 2o 0 2 9 2 8 50 0 2 1 2 1 50 0 1 2 0 3 50 0 0