（钢铁冶金专业论文）高炉回旋区内煤粉燃烧过程的数值模拟.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 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。回旋区内炉料的运动、气体的燃烧反应，渣铁的滴落造就了回旋区 内气、固、液三相耦合的复杂过程。焦炭和煤粉与高温空气燃烧产生的煤气是高炉 生产所需化学能和热能的提供者。喷入风口回旋区的煤粉燃烧反应情况，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。研究高炉回旋区内煤粉的燃烧状况对高炉生产有十分重要的意义。 本文利用商业软件f l u e n t ，采用有限体积法建立了高炉内回旋区煤粉燃烧三 维数学模型。在不同煤比和不同富氧率下，分析研究了煤粉燃烧过程的速度场、颗 粒轨迹、温度场和煤气组分浓度场。模拟结果表明：采用标准七一s 双方程湍流模 型、非预混燃烧模型、离散相模型、p 1 辐射模型、挥发分析出模型、残碳燃烧模型对 高炉回旋区煤粉燃烧过程进行数值模拟，结果是合理的、可信的。在不同煤比和不同 富氧率下，高炉回旋区内的平均温度随着富氧率的增加而增加，随着煤比的增加而增 加。煤粉燃烧率随着煤比增加而降低，随着富氧率增加而增大。 高炉回旋区煤粉燃烧过程的研究对现场生产具有重要的指导意义。 关键词：高炉；喷煤；回旋区；数值模拟 内蒙古科技人学硕士学位论文 a b s t r a c t t u y e r ea n dr a c e w a yi nt h eb l a s tf u r n a c ei st h es o u r o eo fh e a ta n de n e r g yi nw h o l eb l a s t f u r n a c ep r o d u c t i o n , a n di sa ni n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n tr e a c t i o nz o n ei nb l a s tf u r n a c es t a b l e o p e r a t i o n t h em o v i n go fb u r d e n ，c o m b u s t i o nr e a c t i o no fg a s ，d r i p to fs l a ga n di r o nb r i n gu pt h e g a s ，s o l i da n dl i q u i dt h r e e - p h a s ec o u p l i n gc o m p l e xp r o c e s s t h eg a sg e n e r a t e df r o mc o m b u s t i o n o fc o k ea n dp u l v e r i z e dc o a la n dh i 曲t e m p e r a t u r ea i ri st h ep r o v i d e ro fc h e m i c a le n e r g ya n d e n e r g yt h a tt h eb l a s tf u r n a c en e e d e d t h ec o m b u s t i o nr e a c t i o ns i t u a t i o no f 埘e c t i o nc o a li nt h e t u y e r ea n dr a c e w a yw i l le f f e c tg a sd i s t r i b u t i o ni nt h el o w e rz o n eo fb l a s tf u m a c e ，b u r d e n e q u i l i b r i u md e c r e a s e di nt h eu p p e rp a r to ft h eb l a s tf u r n a c e ，a n dw h o l eh e a ta n dm a s st r a n s f e r p r o c e s si nt h eb l a s tf u r n a c e t h es t u d yo fc o m b u s t i o ns i t u a t i o no fp u l v e r i z e dc o a l i nt h e r a c e w a yh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h eb l a s tf u r n a c ep r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o a lc o m b u s t i o ni nt h er a c e w a yo f b l a s tf u r n a c ei sd e v e l o p e db yt h ef l u e n ts o t h v a r ea n dt h ef i n i t ev o l u m em e t h o d v e l o c i t y f i e l d ，p a r t i c l et r a j e c t o r y ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dc o n c e n t r a t i o nf i e l do fg a sc o m p o n e n tw a s s t u d i e da n da n a l y z e db a s e do nd i f f e r e n tc o a lr a t i oa n do x y g e ne n r i c h m e n tp e r c e n t a g e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o nc o m b u s t i o n p r o c e s so fb l a s tf u m a c er a c e w a yu s es t a n d a r dk gm o d e l ，n o n - p r e m i x e dc o m b u s t i o n m o d e l d i s c r e t ep h a s em o d e la n dp 1r a d i a t i o nm o d e lc a no b t a i nr e a s o n a b l ea n db e l i e v a b l e r e s u l t s f o rd i f f e r e n tc o a lr a t i oa n do x y g e ne n r i c h m e n tp e r c e n t a g e ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo f b u r n i n gc h a m b e rw a si n c r e a s e dw i n lt h ei n c r e a s eo fc o a lr a t i oa n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo f b u m i n gc h a m b e rw a si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fo x y g e ne n r i c h m e n tp e r c e n t a g e t h er a t e so f c o m b u s t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc o a lr a t i oa n do x y g e ne n r i c h m e n tp e m e n t a g e ，a n d r e d u c ew i t ht h ei n c r e a s eo fc o a lr a t i o i th a si m p o r t a n td i r e c t i v es i g n i f i c a n c ei np r o d u c t i o nf i e l dt os t u d yt h ep r o c e s so fc o a l c o m b u s t i o ni i lt h er a c e w a yo fb l a s tf u r n a c e k e yw o r d s ：b l a s tf u r n a c e ；p u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o n ；r a c e w a y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 熟年眺半 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蝉导师签名：擀日期：产 内蒙古科技大学硕十学位论文 l 文献综述 钢铁是国民经济和社会发展的基础性原材料。钢铁工业是现代化工业发展中的 支柱产业，钢铁工业的发展和高炉炼铁是密不可分的。 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。 近些年来，为了降低炼铁成本，采用喷煤技术以降低昂贵的冶金焦碳的入炉比 例是较为有效的方法之一。另外，在世界范围来说，炼焦用煤产量有限，焦炭的价 格不断上升，全球感到炼焦用煤的危机；从环境保护角度考虑，炼焦产生的污染非 常严重：现在国内外对直接还原法进行了大量的研究工作，此工艺在同渐成熟，而 且在能源利用、环境保护、设备成本和厂房建设上都有明显的优势，但是生产规模 上尚无法与高炉相比。因此，搞清煤粉在回旋区内的燃烧过程，进一步增大喷煤 量，降低焦比，保持高炉炼铁的优势显得格外重要。 1 1 高炉喷煤技术的发展 高炉炼铁工艺中采用的喷吹煤粉技术，起始于1 8 4 0 年班克斯喷吹焦炭和无烟煤 的设想【i 】。经过世界各国学者的不懈努力，喷煤技术得到长足的进步。虽然我国高 炉的喷煤总量逐年提高，从总体水平来看，喷煤水平还不普及，尤其是喷吹烟煤。 喷煤装备技术水平也参差不齐。与国外先进水平有较大的差距，究其主要原因，一 是煤粉的制备、输送、喷吹设施不配套，制粉、输粉能力不足；二是原燃料条件不 稳定；三是风温水平未得到充分的发挥【2 j 。高炉喷煤技术的采用对我国资源、环境 和成本压力的缓解作用还没有充分发挥。 1 2 喷煤对高炉生产的影响 1 2 1 高炉喷吹煤粉后炉况的变化 ( 1 ) 炉缸煤气量增加，鼓风动能增加，燃烧带扩大。煤粉中含碳氢化合物在风 口前气化后产生大量h 2 ，使炉缸煤气增加，从而燃烧带扩大。h c 值越高，增加的 煤气量越多，如低灰高挥发分的烟煤便是如此。另外煤气中含h 2 量增加也扩大燃烧 带，因为h 2 的粘度和密度均小，穿透力大于c o 。 ( 2 ) 理论燃烧温度下降，而炉缸中心温度均匀并略有上升。 内蒙古科技大学硕士学位论文 理论温度下降的原因：喷吹煤粉后煤气量增加，燃烧产物的数量增加后，用 于加热产物温度的热量增多；煤粉气化时因碳氢化合物分解吸热；煤粉喷入时 的温度一般在8 0 左右，带进的物理热少，所以总体的物理热下降。 炉缸中心温度上升的原因：煤气及动能增加，燃烧带扩大使到达炉缸中心的 煤气量增多，中心部位的热量收入增加，即炉缸径向温度梯度缩小；上部还原得 到改善，在炉子中心进行的直接还原数量减少，热支出减少；高炉热交换改善， 使进入炉缸物料和产品的温度升蒯引。 ( 3 ) 料柱阻损增加，压差升高。喷吹煤粉使单位生铁焦炭消耗和炉料总量减 少了，料柱的矿焦比值增大，则造成料柱透气性变差；炉顶煤气主要由风口前焦 炭中炭燃烧形成的煤气，喷吹煤粉燃烧形成的煤气和直接还原形成的煤气。随着喷 煤量增多，一般情况下煤粉燃烧产生的煤气量增加，导致流速增加，阻力增加。 ( 4 ) 间接还原发展直接还原降低。喷吹煤粉以后，改变了炉料结构，进而改变 了铁氧化物还原和碳的气化条件，明显地有利于间接还原的发展和直接还原的降 低。原因在于煤气中还原性成分( c o + h 2 ) 的浓度增加，n 2 含量降低，并且h 2 较 c o 在还原热力学和动力学方面均占优势。同时，焦比降低减少了焦炭与c 0 2 反应 的表面积也就是降低了直接还原的反应速度。 1 2 2 高炉喷煤后的效果 国内外生产实践表明，喷吹煤粉不仅能大幅度降低焦比，而且能提高产量，改 善生铁质量和下降生铁成本。 ( 1 ) 降低焦比【3 】。喷吹煤粉的最大好处就在于能大幅度降低焦比，其原因为： 喷吹煤粉中的炭代替了焦炭中的炭( 主要是在发热剂和还原剂方面) ；喷吹煤粉中的h 2 约 有3 0 - 5 0 参加还原，而且一定程度上提高了c o 的利用率，从而使直接还原大大降 低。炉缸热状态稳定，也更活跃；为高炉接受高风温、降低湿度和富氧创造了条件。 通常用置换比来评价降低焦比的效果。所谓置换比，就是喷吹单位重量( 或体积) 的煤粉所节省的焦炭量。可用以下公式计算： 置换比数学公式： r ：k o - k 较 q 式中：艮一置换比，k g k g ( m 3 ) ； l 甜一未喷煤时焦比，k g t 铁； ( 式1 1 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 k 较一喷吹期的校正焦比，即扣除了除喷吹煤粉外其他因素影响后的焦比，k g t 铁； q 一煤粉喷吹量，虹( m 3 ) t 铁； 置换比愈高，降低焦比的效果愈好。置换比与原料质量、热补偿、喷吹煤粉种 类、喷吹量以及操作水平等因素有关。因此，在评价降低焦比的实际效果时，不仅 要考虑置换比，而且还应顾及到喷吹量。只有在置换比较高而喷吹量又较大时，焦 比降低的绝对量才多，也即经济效益和社会效益才高。 ( 2 ) 提高产量。我国高炉喷吹煤粉的实践表明，在一定的喷吹量条件下，高炉 的利用系数一般有所提高，是综合冶炼强度有所提高的原因。 ( 3 ) 改善生铁质量。喷吹煤粉后，炉缸活跃，温度分布均匀，热状态稳定，渣 铁物理热充沛，因而生铁的脱硫条件改善。 ( 4 ) 降低生铁成本。喷吹煤粉后生铁成本主要决定于焦炭与喷吹煤的价格，而 煤粉比焦炭的价格低得多，所以喷煤能降低生铁成本。 1 2 3 高炉喷煤后的炉况调节 只有好的炉况才能增加喷煤量，改善喷煤效果，提高高炉技术经济指标。根据 国内外高炉喷煤的实践经验，可以进行以下几个方面的炉况调节。 ( 1 ) 改善原燃料条件。主要是改善入炉炉料( 焦炭、矿石) 结构及冶金性能。原 料越精，高炉料柱的透气性越好，炉况越顺，越有利于提高喷吹煤粉在高炉内的利 用率，才能进行喷吹并进而增大喷吹型4 | 。 ( 2 ) 采用高炉上部调节。主要目的是控制边缘煤气流的发展，适当疏松中心。 可以通过改变装料制度，增加中间环带和边缘的矿焦比，增加中心装焦量来实现。 ( 3 ) 高炉的下部调节。可适当缩小风口进风面积，例如武钢7 0 年代在不喷煤 的情况下风口直径大都为1 5 0 m m 、1 6 0 m m ，甚至达到1 7 5 m m ，随着喷煤量的增 加，在同等风口数量的情况下，风口直径改为小1 3 0 - 1 4 0 m m ，进风面积减少了 2 6 左右，使进风动能增加有利于提高风速，从而使中心吹透。 ( 4 ) 喷煤高炉的热补偿调节。热补偿主要是提高风温水平、增加富氧量和降低 加湿量来实现。尤其是喷煤量大于l o o k g t 铁时，一般高炉的风温水平难以达到热补 偿的要求，必须进行富氧操作。每增加氧浓度1 ，风口理论燃烧一般提高3 5 - - 5 0 ，而每喷吹1 0 公斤煤粉，理论燃烧温度降低2 0 - 2 5 。通常保证高炉顺行的 风口前理论燃烧温度在2 0 5 0 - 2 3 5 0 范围内，因此要使富氧和喷煤量合理匹配，促 进高炉稳定顺行的同时，获得增产节焦的效果。根据文献 1 ，目前高炉技术和原料 条件下，富氧率存在极限值，风中含氧量不应超过3 5 ，因为进一步提高富氧率 内蒙古科技大学硕士学位论文 时，煤气量减少过多，炉身、炉料得不到充分加热，导致炉身还原度降低，加之热 风带入高炉的热量因风量锐减而大量减少，因此置换比随着富氧率的提高而逐渐降 低。 1 3 煤粉的燃烧过程 1 3 1 煤粉的燃烧机理 煤粉的燃烧属于表面燃烧。先是氧气等氧化气体向煤粉固体表面或小孔内扩 散，在煤粉的表面与碳发生反应，生成的c o 或c 0 2 气体从固体表面或小孔内向外 界扩散。此过程包括化学反应、流动、传热、气体扩散以及颗粒内部的传热传质 等，是一种非常复杂的过程。 高炉喷吹煤粉首先进入直吹管中与高温热风气流接触，在直吹管就已经开始了 热解和部分的燃烧反应，接着进入风口和回旋区燃烧，未及时燃烧和未完全燃烧的 煤粉将被煤气流携带进入高炉。总之，对于煤粉在11 6 0 - 1 7 5 0 。c 不同氧浓度的热 风中的燃烧，主要分为以下四个阶段【5 】：煤粉快速升温及热分解，同时挥发分着 火；挥发分燃烧；挥发分燃烧后，固定碳预热和着火；固定碳燃烧。 由此可见，热风温度越高，煤的热分解越容易，颗粒半径越小，挥发份气化越 快，点火越快。固定碳的燃烧在9 0 0 一1 3 0 0 的范围内，随着温度的升高而加快。 在此温度范围内，煤粉的燃烧反应处于界面化学反应的控制环节，尤其是无烟煤更 明显，但当温度超过1 3 0 0 时，残炭燃烧反应的控制环节为固体表面的气体扩散过 程，反应界面的氧浓度越高，燃烧越迅速。 1 3 2 提高煤粉燃烧率的途径 煤粉燃烧率是指煤粉中烧掉的可燃物质与其燃烧前所含可燃物质之比。从燃烧 学出发，对于煤粉的燃烧过程、燃烧空间和燃烧时间都是非常重要的条件。燃烧时 间和燃烧空间不够或燃烧时间不足都将导致煤粉不完全燃烧。因此，在有限空间和 时间内必需提高煤粉的燃烧率，其主要途径如下： ( 1 ) 选择合适的煤种1 6 】。适当煤种的反应活性、组分、可磨性、s i 0 2 c a o 的比 值等，都会对燃烧过程、系统安全、系统寿命和高炉行为产生影响。 ( 2 ) 采用富氧喷煤。富氧喷吹可以提高煤粉的燃烧速度，从而提高煤粉燃烧 率，图1 1 是在实验室条件下测得的鼓风含氧量与煤粉燃烧率之间的关系。从中可 以看出增加鼓风含氧量可以使煤粉的燃烧率明显提高，尤其对无烟煤来说，其影响 幅度更大。 内蒙古科技大学硕士学位论文 目前高炉喷煤的富氧方式有三种： 1 ) 热风富氧； 2 ) 应用氧煤枪在粉煤颗粒周围局部富氧； 3 ) 热风富氧加局部富氧。 装 僻 婴 饕 鼓风中的含氧量( 体积) 图1 1 鼓风含氧量与煤粉燃烧率之间的关系 ( 3 ) 提高风温1 7 】。温度是燃烧反应动力学的重要因素之一，高风温是增加喷 煤量、提高燃烧率的有力措施之一。高风温可以快速加热煤粉和载气，提高热解的 吸热速率，促使煤粉提前着火。图1 2 可以看出，无论喷吹烟煤还是无烟煤，随着 风温提高，燃烧率也提高。 ( 4 ) 选择合适的煤粉粒度【8 】。一般说来，煤粉愈细则燃烧时间愈短。考虑到磨 煤的动力消耗，以及煤粉愈细安全问题愈大，选择合适的煤粉粒度既涉及燃烧过 程，又涉及经济效益和安全问题了。安阳高炉生产实践表明，高炉喷吹煤粉完全没 有必要按照锅炉煤粉的要求限制煤粉粒度小于o 0 7 4 m m 在7 0 - 8 0 ，粒度可以放 宽到3 0 左右。目前通常选择2 0 0 目煤粉供给高炉喷吹。 ( 5 ) 配煤混合喷吹。对于那些爆炸性强、活性强的烟煤，通过有选择地配入适 量的无烟煤进行混合喷吹，可控制混合煤粉的最低着火点，做到既能使混合煤粉对 自燃反应的敏感性降低，又能因混合煤粉中的挥发分在燃烧过程中高度析出，而使 无烟煤粒得到均匀加热，从而有利于煤粉的提前着火，促进燃烧率的提高。 内蒙古科技人学硕士学何论文 另外，还有开发新的氧煤枪以及选择合适的插枪位置、角度和深度；添加煤粉 燃烧催化剂；选择合理的喷煤系统等。 零 嚣 婺 簦 彝 簧 泓度 图1 2 煤粉燃烧率与温度的关系 1 4 高炉回旋区概述 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1 3 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。风口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。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 4 1 风口回旋区的形成和反应机理 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【2 0 , 2 1 1 ，致使目前仍没有形成严格的回旋区理论。 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。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 称为风口区或回旋区m 2 1 。 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。 图1 3 回旋区工作示意图 惩 炉 申 心 线 内蒙古科技大学硕士学位论文 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【2 3 1 。焦炭颗粒与煤气流之间的动量传递、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，这早焦炭是相对静止的，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： c + 0 2 - - - - c 0 2 c + c 0 2 = 2 c o ( 式1 2 ) ( 式1 3 ) 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 ，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。 h 2 0 + c = h 2 + c o 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。 ( 式1 4 ) 1 4 2 对回旋区内燃烧状况检测的主要方法 ( 1 ) 直接检测法 利用各种检测仪器直接测定燃烧室或者利用各种物理化学原理，分析推断下部 燃烧状况，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 内蒙古科技大学硕+ 学位论文 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。 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【2 4 】进行 数值模拟。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。 1 4 3 风口回旋区的形状预测 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【2 5 2 6 】。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、煤粉在其内作回旋运动的空腔，因而出现了风 口前焦炭呈循环运动的理论。 多年来，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 借助冷热态模型研究和建立数学模型，进行数值模拟等。表1 1 为国外一些学者对回旋 区的形状研究结果对照表。 表1 1 国外一些学者对回旋区的形状研究结果表 内蒙古科技大学硕士学位论文 表1 2 国外一些学者对回旋区的形状研究结果表( 续表) h i r o s h it a k a h a s h i 等3 5 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。前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 内蒙古科技入学硕十学位论文 炉风口区，模型的一壁是玻璃，直接目测回旋区。日本的野泽健太郎等利用三维冷 模并借助于激光传感器实现了焦炭回旋区空间分布的直接测定。阐明了焦炭回旋区 的典型分布状况，并示出入口处从风口端部到焦炭回旋区中间部位呈现较高且恒定 的空间( 气体中一t l , 部位) ，朝焦炭回旋区边缘呈现直线下降趋势。气体中心部位的尺 度已用来建立轴向空间分布的无量纲表达式。通过新建立的气体中心长度( d m ) 、风 口直径d t 及焦炭回旋区指数( r f ) 之间的相关式便可对此进行评价。其相关式为： d m d r = 0 0 9 6 3r o 5 4 6 。同本的中村等人在模型试验中测定了回旋区的形状，根据实 验结果，认为回旋区是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 厶，、 区宽度与回旋区深度l r 之间的关系为：睾= 2 c o t 3 0 。l1 + 七挚l 。 d 8d b ) 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 r = 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 。张立国等人通过计算，研究了不同风口直径、风口长度和高炉风口焦炭不同 粒度组成对高炉风口回旋区的径向长度、宽度、高度和体积的影响。鞍钢根据现有 生产条件，结合实验室和高炉实测数据，对周传典提出的回旋区深度计算公式进行 了修改，根据鼓风穿透因子、焦炭重力和对回旋区壁面的反力分析，得到回旋区深度即 在高炉径向上回旋区前端距风口的最大距离d r t 3 6 1 ：警= 0 3 1 5 xp f n 5 6 7 ，其中： u t ， ，v 、2 ， = 上p 【毒j瓦i蕊，式中：d尺为回旋区前端距风口水平距离，m；珥为风口,op i r 直径，m ；p f 为穿透因子；p o 为炉腹煤气密度，k g m 3 ；风为焦炭粒子密度，k g m 3 ； 圪为体积流率，m 3 s ；z 为高炉回旋区煤气温度，k ：只为鼓风压力，k p a ；砩为焦 炭粒子的粒径，m 。 但是，由于回旋区的工况复杂，近些年来人们在回旋区尺寸方面总体上有两种 结果：其一，二维情况下得出回旋区深度和高度的关系，形成一个矩形的几何区 域，或者是分别以回旋区深度和高度为长短轴的椭圆形几何区域；其二，在三维情 况下得出回旋区长宽高的关系，得出一个六面体的几何区域，或者是分别以深度和 高度及宽度形成一个椭球形几何区域，纵观多年来回旋区研究结果，回旋区理论还 是众说纷纭，百花齐放。还没有形成比较真实、准确、稳定、符合高炉实际生产的 回旋区形状，有待我们继续努力研究。 1 5 高炉喷煤数值模拟 内蒙古科技大学硕+ 学位论文 数值模拟方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题 的完整体系。图1 4 给出了表征三者之间关系的“三维 流体力学示意图。从图中 可看出三者之阳j 相互联系、相互促进，但不能完全替代。 图1 4 “三维”流体力学示意图 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指 导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进 行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解 析结果。 实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础， 其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精 度的限制，有时可能很难通过实验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、 人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 数值模拟方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计 算，就好像在计算机上做一次物理实验。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做 实验没有什么区别。 经过多年的发展，c f d 出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于对 控制方程的离散方式的不同。根据离散的原理，c f d 可分为以下三大分支： 有限差分法( ( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 是应用最早、最为经典的c f d 方 法，它将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏 微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。 有限元法( ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是上世纪8 0 年代开始应用的一种数值解 法，它吸收了有限差分法中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数对 区域进行积分的合理方法。其求解速度最慢。有部分商业软件还在采用有限元法。 内蒙古科技大学硕士学位论文 有限体积法( ( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 是将计算区域划分为一系列控制体 积，将待解微分方程对每一个控制体积积分得出离散方程。用有限体积法导出的离 散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量相对较 小。目前比较流行的商用软件如：p h o n e i c sc f x ，s t a r c d ，f l u e n t 等大都 采用了有限体积法。 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。 1 5 1 国外回旋区的研究现状 为研究高炉风口回旋区内焦炭、煤粉与煤气的动力学作用及化学作用对回旋区 的影响，r 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p7 j 等提出的炉缸内气、固、液态的力学平衡关系；b k 杜尔诺 夫【3 8 】等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。 日本的羽田野道春等通过冷态模型用大豆、谷子、小麦和不同粒径的砂子代替 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湍流状 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。m o r i m a s ai c h i d a 等【3 9 】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。法国钢铁研究总院( i r s i d ) 的科研人员借助 工业软件f l u e n t 对风口和焦炭回旋区几何形状进行了精确的三维计算。通过对高 炉中煤粉燃烧数学模型的描述，证明只有煤的性质、粒度分布，鼓风富氧率和喷煤 量对燃烧率有影响，而煤的输送速度、鼓风湿度以及回旋区周围焦床的渗透性则可 以忽略不计。 1 5 2 国内回旋区的研究现状 在国内，一些学者就适合高炉回旋区复杂工况计算的模型进行了大量的研究， 俞宏晔【4 0 】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。陈义胜、贺友多建立了高炉风口回旋区气体运动，温度分布和物 质传输的三维数学模型，用它预测生产高炉回旋区内速度场，温度场和浓度场。丁 立刚等给出了高炉煤粉喷吹过程的一个数学模型，该模型可对煤粉颗粒在直吹管内 内蒙古科技大学硕七学位论文 的运动、热解、燃烧情况进行数值模拟，同时还可以计算出煤粉的燃烧率，从而可 对喷吹效果在理论上作出评价。张丽耐4 l 】等人基于颗粒相欧拉模型，建立了考虑大 颗粒对湍流增强作用的颗粒碰撞模型。该模型充分考虑颗粒轨迹对湍流的作用，并 把作用结果以源项的形式加入原有模型；在对离散相进行模拟时，还考虑颗粒之间 的碰撞作用最后用该模型对高炉回旋区内的气固两相流动进行了模拟，模拟所得的 颗粒平均速度和脉动速度分量与实验结果吻合良好。结果表明，考虑颗粒对湍流增 强作用及颗粒之间作用后的新模型预报结果得到了明显改进。 国内一些学者还应用一定的简化模型对高炉回旋区内的复杂燃烧过程进行了数 值模拟计算。温良英等人【4 2 j 建立高炉回旋区煤粉燃烧与辐射图像之间的关系，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。郭术义、陈举华等人【4 3 】根据相似及模化理论，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 e d o p p l e ra 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。欧阳奇、张兴兰【4 4 1 等人对风口回旋区内煤粉燃烧火焰断面温度场分布进行数 值化研究，采用非接触辐射测温理论和技术，建立了高炉风口回旋区断面图像的二 基色( r g ) 信息与温度l 日j 的关系模型，进行了二维平面投影火焰温度场测量，并绘制 了回旋区断面温度场等高线。试验结果表明：这种测温技术可行，与抽气式热电偶 测量结果相比，准确度达9 8 。张生富、温良英等人通过对高炉风口粉煤燃烧及回 旋区焦炭燃烧过程中高炉工作环境的探讨，得出数值模拟的方法在喷煤高炉风口煤 粉及回旋区焦炭燃烧研究中的必要性，回顾了前人应用数值模拟的实验方法在此方 面的研究，总结出了煤粉喷吹过程气一粒两相湍流流动数学模型；煤粉挥发分热解 及辐射传热数学模型；回旋区焦炭颗粒燃烧能量方程，最后提出了基于c c d 技术的 数值模拟边界条件设定的新构想。 郭术义、陈举华【4 5 j 在高炉回旋区内部，焦炭颗粒与空气发生剧烈反应，产生煤 气的温度场、压力场、浓度场分布将直接影响到高炉的冶炼状况。基于多相流理 论，全面的考虑气体的湍流、能量、组分、焦炭与空气的化学反应以及焦炭颗粒的 时间经历效应，建立了描述回旋区湍流特性的数学模型。利用该数学模型对高炉回 旋区流场进行了数值模拟，为高炉回旋区的研究提供新的理论基础。郭术义为研究 高炉回旋区内的物理化学状态，分析了回旋区内存在的焦炭热解水分蒸发、燃烧气 体湍流等化学反应，建立了基于颗粒轨道的湍流数学模型，并利用c f x 对数学模型 进行了数值模拟。模拟结果表明：回旋区内，气流呈双涡旋分布，气体速度大部分 内蒙古科技人学硕十学位论文 小于1 6 m s ，峰值温度在2 6 7 0 左右；焦炭粒子数为1 0 0 0 时，在水平面内c 0 2 和 c o 气体的峰值浓度分别为1 7 和2 7 4 ；高炉煤气流分布为中心气流弱，边缘气流 强。数值模拟结果基本与高炉操作实践结果吻合，对进一步研究高炉回旋区提供了 有意义的探索。陈举华【4 6 】等人阐述了高炉回旋区运动及反应机理，建立了模拟回旋 区的三维综合模型，模拟了回旋区内物理过程和化学过程，得到了焦炭颗粒的速度 分布、回旋区内的温度分布和高炉风口燃烧带的温度及煤气成分变化冷态模拟结果 与实验结果基本一致，预报的温度分布符合实际工况。 宿立伟、程树森通过数值模拟，给出了煤粉轨迹，不同操作条件下的温度云 图，并分析了各操作因素对理论燃烧温度及煤粉燃烧率的影响。通过分析计算结 果，我们认为高煤比必须伴随高风温，否则会导致能源浪费甚至高炉操作不顺。张 丽丽等人基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和 质量变化的方程，建立了高炉风口回旋区湍流气固两相流动和煤粉燃烧的三维数学 模型。将所建模型分别对冷态模型内气粒两相流动和某企业7 5 0 m 3 高炉风口回旋区 内的气固两相三维流动和煤粉燃烧进行了数值模拟，并采用p d a 对冷态模型内气粒 两相流场进行了测量，结果表明，实验结果与冷态两相流动的模拟结果基本一致， 热念模拟的模拟结果与国外实验测量结果较吻合。 邹祖桥等【47 j 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。他还根据高炉喷吹煤粉燃烧特点，对直吹管和风 口回旋区分段模拟，以直吹管模拟结果作为回旋区输入。回旋区数学模型在直吹管 数学模型的基础上进行修正，为简化计算模型，用附加力修正焦炭回旋运动对气流 产生的影响，回旋区焦炭燃烧量和回旋区大小根据经验公式确定。对直吹管和回旋 区采用分段模拟，更加接近高炉实际情况，有利于提高数值模拟的准确性。时章明 等对多股流喷吹粉煤时高炉风口内粉煤浓度场进行了研究，发现粉煤颗粒在高炉风 口内的轴向分布均匀，湍流扩散充分，致使高炉风口底面煤粉浓度大大减少，随着 粉煤颗粒粒度的增大，这种现象更加明显。郁庆瑶1 4 8 】对未燃煤粉在高炉内积存量的 影响进行了模拟实验。丘纪华等人针对高炉风口前回旋区内氧煤燃烧器喷入煤粉的 燃烧过程，应用数值模拟方法对氧煤燃烧器在不同喷煤量和氧浓度条件下的燃烧过 程就行了数值模拟。 1 6 文献总结 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 内蒙古科技大学硕士学位论文 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。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。做过运