高炉风口回旋区化学反应过程的数值模拟研究.doc

高炉风口回旋区化学反应过程的数值模拟研究梁小平1，赵 欣1，王雨1，八木顺一郎2（1.重庆大学材料与工程学院，重庆 400044；2.东北大学多元物质科学研究所，日本 仙台 980-8577）摘 要：通过建立高炉风口回旋区内气固两相的流动、传热、传质及化学反应过程的数学模型，对风口回旋区的化学反应过程进行了数值模拟研究，预测分析了鼓风条件对回旋区内气相成分分布的影响，以期为实际高炉鼓风操作的合理控制提供理论依据。关键词：高炉，风口，回旋区，化学反应过程，数学模型中国分类号：TF5361 前 言在炼铁高炉中，高温高速的空气通过风口鼓入充满焦炭的固定床中，由于鼓风的作用，在风口前沿附近存在一个焦炭在其内作循环运动的区域即为风口回旋区。高炉回旋区内的化学反应情况,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1-5，因此，了解回旋区内的化学反应过程以及气体成分的变化规律对于炼铁生产实践具有指导意义。本文以攀钢2000 m3高炉为研究对象，通过建立数学模型，对风口回旋区的化学反应过程进行数值模拟，预测回旋区气相成分的分布，研究鼓风条件的变化对气体成分分布的影响。2 数学模型的建立如图1所示的高炉下部区域即为本文数学模型的计算区域。本文采用Euler-Euler 方法建立了风口回旋区的数学模型，模型中考虑了气固两相的流动、传热、传质及焦炭燃烧等化学反应对高炉下部区域气相成分的影响，模型的基本方程如下： (1)式中角标i分别代表气相g及固相s；为各相的体积分数，且；为待求变量，包括各相的速度、热焓（或温度）及各组分的质量分数（即浓度）；变量及为对应于待求变量的有效扩散系数及源项，其中源项包括各相之间的相互作用和化学反应等。将方程（1）展开，分别应用于气相及固相的流动、传热及传质过程即得到气固两相的动量守恒方程、质量守恒方程及能量守恒方程；在一定的边界条件下，解出方程（1）中的待求变量即可获得风口回旋区的各相的速度、温度以及气相各组成的浓度分布，由此即可对回旋区气相成分分布进行预测计算。考虑到风口回旋区内所发生的化学反应，模型中气相的组成包括O2、CO、CO2、N2、H2O及H2这六种组分。图1 风口回旋区数学模型的计算区域Fig.1 Computation zone for numerical model of raceway1.1 化学反应模型回旋区内发生的化学反应主要包括鼓风中的氧气与焦炭发生的碳的不完全燃烧反应、碳的完全燃烧反应反应、碳的熔损反应以及鼓风湿分的高温反应。在考虑化学反应影响的基本方程的源项时，需要根据反应动力学原理来确定化学反应速度，上述四个化学反应的数学模型方程如下。碳的不完全燃烧反应 C + O2 CO （2）式（2）中，R1：化学反应的反应速率，kg-C/s；：反应面积，m2；：O2的浓度；：化学反应的速率常数；：系数；kc1：扩散速率常数。碳的完全燃烧反应 C + O2 CO2 （3） 式（3）中，R2：化学反应的反应速率，kg-C/s；A：系数。碳的熔损反应 C + CO2 2 CO （4） 式（4）中，R3：化学反应的反应速率速度，kg-C/s； ：化学反应的速率常数；：CO2的浓度；：系数；kc3：扩散速率常数。鼓风湿分的高温反应 C + H2O CO + H2 （5）式（5）中，R4：化学反应的反应速率度，kg-C/s； ：化学反应的速率常数；：H2O的浓度kg/mol；：系数；kc4：扩散速率常数。1.2异相间的热交换由于高炉下部的计算区域内同时有气固两相存在，各相之间有传热，在建立模型时必须计入这种相与相之间传热的影响，故在气固两相的传热模型方程的源项中涉及到各相之间的传热系数（g、s代表气固两相）。气固间的传热系数采用经秋山修正的Ranz式计算6： （6）式（6）中，Re：雷诺准数； Pr：普朗特准数； ：气体的导热系数；：焦炭颗粒的直径1.3异相间的动量交换气固两相的同时存在使得其运动亦相互影响，在各相的流动模型方程中这种影响效果已计入方程右端的源项中，表现为作用力（g、s分别代表气固两种相态的物质）。气固间的相互作用力采用经过修正后的Erugun方程7： （7）其中异相间的接触面积按下列公式计算： 式（7）中，：粘度；：孔隙度；：速度；：形状因子；下标g、s、l：分别表示气、固、液相。1.4 边界条件上部入口处和风口入口处的参数作为已知值按攀钢实际生产条件确定，对称轴及下部出口处按处理，壁面处为无滑移条件，壁面传热按第一类边界条件处理。3 计算及结果分析以SIMPLE算法编制数值求解计算程序，程序用FORTRAN语言编制。对于计算区域采用非均匀的正交交错网格进行网格划分，共划分为31471517个网格。由于风口直径远远小于炉体直径及炉高，为了提高计算精度，在网格划分时以风口直径为最小间距、按等比级数对其附近区域网格进行加密划分。在不同的鼓风量条件下，利用前述已建立的数学模型对风口回旋区内的化学反应过程进行了数值模拟，实现了对气相成分分布的预测计算，计算结果见图2图4，图中分别示出了O2、CO、CO2这三种气体成分的含量分布，图中（a）、（b）、（c）分别表示在三种不同的鼓风量下的计算结果。其它鼓风条件分别是风温为1200、鼓风含氧量为25、风口呈水平方向。 （a） （b） （c）图2 鼓风量不同时O2含量分布Fig.2 O2 distribution of different blast volume （a） （b） （c）图3 鼓风量不同时的CO分布Fig.3 CO distribution of different blast volume （a） （b） （c）图4 鼓风量不同时的CO2分布Fig.4 CO2 distribution of different blast volume从图2图4中可以看出，无论在哪个鼓风量下，气相成分的分布特征都是相似的。当被预热的空气经风口进入高炉后，在半径方向上，热风中的O2含量急剧减少，同时CO2 含量先急剧增加而后又减少，CO含量则是在距风口前端约1m处才开始出现并且迅速增加。这说明，在风口前端附近主要发生的是焦炭的完全燃烧反应，并生成CO2；随着距风口出口距离的增加，气相中逐渐开始有CO生成，碳的不完全燃烧反应和碳的熔损反应逐渐发展，最终使得在远离风口的中心附近区域气相成分以CO为主。由图24可知，鼓风量为4600 m3/min、4800 m3/min、 5000 m3/min 的工况下，O2消失分别在炉缸半径的4.4 m、4.3 m、4.2 m左右处，即在鼓风量为4600 m3/min的工况下，O2消失的位置距风口最近，O2消失的速度最快。鼓风量大时，O2消失的位置向炉子轴心线方向推移。在不同的鼓风量的条件下，随着鼓风量的增大，O2在炉内具有一定浓度分布所涉及的范围越大，O2向炉缸内深入的距离也越长；同时CO及CO2的浓度越高，所涉及的范围越宽。这说明由于鼓风量的增加使更多焦炭发生化学反应，可以使下部煤气中CO的数量增加，有利于强化还原气氛，也有利于改善煤气在半径上分布的均匀性。4 结论（1）本文建立了高炉风口回旋区气相成分的预测计算数学模型，模型中既考虑了化学反应对气相成分分布的影响，同时也考虑了气固两相的流动、传热及传质的影响。（2）利用所建立的数学模型，可以对风口回旋区气相成分进行预测计算。（3）随着鼓风量的增大，下部煤气中CO的总量将增加，有利于促进炉内的还原反应参考文献:1 秦民生, 杨天均.炼铁过程的解析与模拟M.北京：冶金工业出版社，1991.2 郭术义，陈举华.高炉回旋区数学模型J.北京机械工业学院学报，2003，18（3）：6-9.3 沈学会，陈举华，史岩彬.高炉风口前缘回旋区的研究现状及发展前景J.山东大学学报，2004，34（1）：44-46.4 俞宏哗，洪新，郑少波.高炉回旋区简化模型的探讨J.上海大学学报，2004，10（1）：9-12.5 郭术义，陈举华.高炉回旋区冷态模型的相位多普勒分析实验 J.钢铁研究学报，2004，16（4）：21-24.6 秋山友宏，高桥礼二郎，八木顺一郎. J.Tetsu-to-Hagane，1990，76：848.7 S.Ergun. Chem. Eng. Progr.，1952，48：89.Numerical Simulation Study on Chemical Reaction Process of the Raceway of Blast FurnaceLIANG Xiao-ping1, ZHAO Xin1,WANG Yu1,YA GI Jun-ichiro2(1.School of Material Science and Engineering, Chongqing Univercity, Chongqing 400044 , China;2. Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan)Abstract:The mathematical model with the flow 、heat transference、mass transference in raceway of blast-furnace was established.Numerical simulation research of the chemical reaction process of raceway was done. In order to providing fundamental basis for the reasona