碳氢铁浴还原浸入式侧吹搅拌数值模拟研究

股份公司炼铁厂2014年11月6日碳氢铁浴还原浸入式侧吹搅拌数值模拟研究前言铁浴熔池熔融还原:碳可高效廉价使用氢冶金：无碳、来源丰富、热效率较高、能量密度大、使用清洁、可再生等特点。低碳可持续：铁浴熔池+氢冶金两者结合是解决炼铁生产环境和能源问题的技术发展趋势，是实现低碳可持续发展的主要手段。浸入式侧枪的搅拌对熔池搅拌混匀起主要作用。本文数值模拟了侧吹流量和侧枪层数对熔池的搅拌效果，期望为碳氢终还原炉的设计和优化奠定基础。碳氢熔融还原工艺及终还原炉示意图双排侧枪几何模型物理模型1模型假设条件和控制方程：选择VOF多相流模型：动量方程：容积比率方程标准k-ε模型方程模型假设和初边界条件如下（1）模型壁面无滑移，无穿透边界；（2）不考虑化学反应；（3）不考虑温度场变化；（4）流体为不可压缩粘性流体（5）自然初始条件计算方案及方法模拟采用PISO算法进行非稳态计算，时间步长为10-5s，计算时间10秒。模拟渣铁和炉气计算所选用的物性参数如表1所示。

表1计算用物性参数计算域组成相密度(kg/m3)粘度(pa*s)水（模拟铁）998.21.003*10-3油(15℃)（模拟渣）868.51.4*10-3空气（模拟炉气）1.2251.7894*10-5计算方案单层喷枪计算方案枪位(mm)流量(L/min)4546、6.5、7.5

双层喷枪计算方案枪位(mm)流量(L/min)454（上排枪）372（下排枪）6、6.5、7.5模拟结果及讨论图3气相中油相百分含量图

图4水相中油相百分含量图6L/min6.5L/min7.5L/min图5第10s时刻不同流量下的密度图单排枪不同流量下的混匀时间对比图从图中可以看出，随着侧吹流量的加大，混匀时间变小，混合越均匀。这与数值模拟的结论一致，从而，试验验证了多相流数模在本文还原器搅拌分析中的有效性。不同流量下的水模混匀时间结论在实际的熔融还原炉中，顶部空间二次燃烧的热量通过喷溅的渣滴传递到底部熔池中，因此，熔池顶部喷溅的渣滴越多（油在气中的含量增加）或气体在油相中的含量增大，以致气油界面的波动加剧，越有利于熔池的传热和提供良好的动力学条件，由此可见，数值模拟的结果表明：熔池气流量越大，对熔池的搅拌越好。而流量与搅拌强度间的定量关系则可由流量与密度变化的计算确定

双层喷枪对熔池搅拌效果的影响

壁面密度数值模拟图数值模拟结果（壁面密度）（第1s时刻，流量为7.5L/min）单排枪双排枪壁面模拟结论图7是第1s时刻，单排枪和双排枪流量为7.5L/min下得到的壁面密度数值模拟图。从图中可以看出，熔池在双排侧枪喷吹下的水油界面波动更加明显，对油相的搅拌更加剧烈。

单排枪和双排枪俯视密度图和水模对比单排枪和双排枪俯视密度图和水模对比结论图8和图9也同样表明，相同喷吹量和喷吹时刻下，双排枪喷溅更为剧烈，且水模拟结果与数值模拟结果吻合较好，进一步验证了多相流数模在本文还原器搅拌分析中的有效性研究结论（1）VOF多相流模型适于碳氢铁浴还原浸入式侧吹搅拌流动数值模拟研究（2）侧吹流量越大，对熔池的搅拌越好。（3）双层侧枪的浸入式侧吹比单层侧枪浸入式侧吹对熔池的搅拌更加剧烈，熔池混匀时间