高炉回旋区湍流特性.pdf

第6 l 卷第3 期 2OO9 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a j s V 0 1 ．6 1 ．N o ．3 A u g ． 20O 9 高炉回旋区湍流特性 郭术义1 ，吴延荣2 ，侯艳君1 1 ．华北水利水电学院机械学院，郑州4 5 0 0 11 ；2 ．山东建筑大学’信息与电气工程学院，济南2 5 0 0 1 4 摘要利用计算流体力学软件c F x ，对回旋区内焦炭颗粒的运动、热解、燃烧及气体内的化学反应、气体湍流特性等进行分 析，并通过回旋区红外测温，研究高炉回旋区内的湍流特性。回旋区内气体速度、温度、c O 和0 等组分分布规律的模拟结果与 温度测量结果以及高炉操作实践基本一致。回旋区内绝大部分气体速度小于1 6 m ／s 。数值计算温度大于红外测量温度。在颗粒 粒子数目为1 0 0 0 的情况下，在 0 x ．平面内c 0 ，气体的峰值浓度为1 7 ％，c o 峰值达到了2 7 ．4 ％。 关键词冶金技术；高炉；湍流特性；回旋区 中图分类号T F 5 3 6 ．1 ；T F 5 3 l 文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 1 1 2 0 0 9 0 3 ～o l o l 0 4 m c O F e 。O 。_ n F e m c 0 2 Q 为发生在高炉 内炼铁的基本原理反应。反应中煤气流 主要成分 为c 0 的温度、浓度等分布直接影响到炼铁化学反 应速度，铁水的质量，软熔带形状、大小和位置，影响 到上部炉料的预热与下降，从而影响到整个高炉的 冶炼效果。 c 0 是高炉下部回旋区内焦炭与氧气等气体之 间的复杂反应的化学产物。在回旋区内，风口鼓人 的高温、高压、高速空气呈复杂湍流流动。在湍流体 带动下，焦炭颗粒跟随流体运动的同时，与周围气体 发生激烈的化学反应，主要包括与氧气的完全燃烧 反应，与二氧化碳的熔损反应，与此同时，焦炭还发 生热解、蒸发等。此外，回旋区内发生碳的不完全燃 烧反应、水煤气反应、碳与氢气的反应以及氮气与氧 气的化学反应等。由此可见高炉回旋区的复杂性及 在高炉冶炼中地位的重要性。1 。 传统上，高炉回旋区燃烧工况 如还原性气体 组分浓度分布、温度分布、压力分布等问题 ，只能 凭借积累的经验和一些试验数据来组织。显然，存 在的问题很多，对整个高炉的运行状况大致的估计 结果往往不准确，对于组织大型高炉顺产、高产不能 给出精确的数据。 计算流体力学 c F D ～c o m p u t a t j o n a lF l u i dD y ． n a m i c s 为回旋区内部气体、颗粒之间运动、燃烧、传 收稿日期2 0 0 7 一0 5 3 0 基金项目山东省科学技术发展计划项目 o 】2 0 5 0 1 0 7 ；华北水利 水电学院高层次人才科研启动项目资助 作者简介郭术义 1 9 7 2 一 ，男，山东高密市人，讲师，博士，主要从 事湍流流体的数值模拟研究和教学工作。 热等复杂的物理、化学反应分析提供了比较有效的 工具。文献[ 3 ] 采用了多流体摸型，将颗粒相视为 流体相处理，考虑不同的湍流输运过程，但无法处理 有热解、蒸发和与异相反应的颗粒经历效应问题。 随计算机技术、图形技术和数值算法的发展，商 品化c F D 软件相继出现，其中c F x 是c F D 软件中 的杰出代表。在工程科技咨询服务的基础上发展起 来的C F x 软件拥有丰富的工程经验，在全球拥有如 N a t i o n a lP o w e r 和M i t s u b i s h i 等世界大公司用户。 c F x 软件提供的基于改进的S I M P L E 算法的求 解器具有并行计算和可达千万节点的强大计算能 力、较高的可靠性和用户二次开发空间，提供了友好 的人机交互界面，提供了数据结果的后处理方面的 三维可视化处理能力。最重要的是C F x 软件能够 对多种三维复杂湍流流动、固态、气态燃烧、包含多 种反应物和多级反应的流动化学反应动力学和多相 流等进行分析。 鉴于高炉回旋区内部机理的复杂性，曾对回旋 区进行了冷态试验研究”1 。在此，利用软件A N s Y S I c E Mc F D5 ．1 建立了回旋区几何模型，对模型进行 了网格划分。利用c F x 软件，全面考虑回旋区内焦 炭颗粒的输运过程、热解过程、燃烧过程以及气体之 间的化学反应过程、三维复杂湍流过程、物理传热过 程，对回旋区内气体颗粒流场、温度场、气体各组分 构成进行了数值模拟，并以计算机可视化方式显示 了数值计算结果。此外，进行了高炉回旋区红外测 温试验，试验结果和大量高炉操作实践与c F x 的分 析结果基本一致。为判断高炉软溶带形状、煤气流 的走向、稳定高炉基本操作制度进行了理论支持。 万方数据 1 0 2 有色金属第6 l 卷 l 回旋区空间估算 在高炉进风管，采用探针探测的方法获得回旋 区空间大小，但这种方法往往给生产带来不利影响。 理论研究和高炉操作经验证明，高炉回旋区大小可 以按式 1 ～式 3 根据高炉鼓风动能进行估算j ， 式中E 。为高炉鼓风动能，J ；匕为每分钟鼓风量， m 3 ／m i n ；p 。为鼓风密度，k g ／m 3 ；t 为鼓风热力学温 度，K ；p 。为鼓风压力，P a ；％为2 7 3 K ；P 。为标准大 气压，1 ．0 1 3 1 0 5 P a ；n 为风口个数；d 为风口直径， m ；k 为回旋区深度，m ；巩为回旋区高度，m ；磁为 回旋区形状系数。因此，根据式 1 ～式 3 和高炉 风口的相关参数，即可估算出回旋区的大小。 E 6 l ／2 p 。。K ／6 0 { [ 4 吃／ 6 0 7 r 。n d 2 ] [ 以P 0 ／ 死P ， ] } 1 k 0 ．1 1 8 1 0 ．3 E 6 0 ．7 7 2 ‰ ￡。／磁 3 以莱钢某在线运行的7 5 0 m 3 高炉风口的参数 为侧，风口气体压力为0 ．2 1 5 M P a ，气体温度为 1 0 5 0 ℃，进风量为1 8 0 0 m 3 m i n 。。，风口直径为 0 ．1 2 m ，风口个数为1 8 个。将这些参数分别代入式 1 ～式 3 中，由此估算出该高炉回旋区的深度约 为1 ．1 1 m 。根据小高炉取大值的原则，取回旋区形 状系数1 ，则高炉回旋区的高度为1 ．1 1 m 。 2C F X 的几何模型、物理模型与边界 条件 A N s Y SI C E MC F D5 ．1 为C F D 软件的前处理模 块，具有极强的几何建模能力和自适应网格划分等 技术。依据计算的回旋区尺寸，利用该软件建立了 采用笛卡尔坐标系的回旋区几何模型。见图1 。图 中z 为风口轴向，z y 平面为水平面。并利用该软件 对几何模型进行相应的网格划分。 把A N S Y SI C E MC F D5 ．1 生成的网格划分完成 的几何模型导入到C F x P r e5 ．7 ．1 C F x 的前处理 模块 。在c F x P r e5 ．7 ．1 中完成边界条件的设置。 边界条件气流速度、温度和压力的值为回旋区 空间估算所采用的各个参数值；焦炭颗粒直径取 1 0 m m ；焦炭颗粒在高炉内，温度无法测出，估计温度 为1 9 0 0 K ；在此忽略硫份，取焦炭颗粒灰份1 2 ％，挥 发份1 ．0 ％，焦8 7 ％；颗粒初始速度设为1 m ／s ，方向 为一z ；假设壁面光滑，壁面绝热，与颗粒之间为弹性 碰撞。 焦炭颗粒在回旋区内跟随气流一起运动，因此 必须在气流中加入颗粒输运模型。受计算机计算能 力和耗时等影响，只分别在z 0 ，0 ．1 ，0 ．9 m 层加入 颗粒。每层颗粒数为1 0 0 0 ，在每一层的分布位置是 随机的。 图1 模型示意图 F i g ．1 S c h e m eo fm o d e l 除设定上述参数外，同时必须设定湍流计算为 庇一占模型，焦炭颗粒的双热解模型，颗粒燃烧模型， 温度辐射模型等，并在软件中设定计算收敛精度、迭 代次数和次序等参数，引入到c F xs o l v e r 5 ．7 ．1 c F x 的求解模块 进行计算。 图2z O 础平面内气体速度矢量 F i g ．2 G a sv e l o c i t yv e c t o ri n 彳 O 戈，，P l a n e 3数据分析与结果显示 不断改变鼓风温度、气体压力、富氧率等风口入 口参数和颗粒速度、温度参数，利用c F x 可以计算 出对不同状态下回旋区的燃烧特性，如气体湍流动 能、压力、温度等。在此主要通过c F x P O s T5 ．7 ．1 对数值模拟结果中气体的速度、温度及c O 和0 空间分布进行分析，并对计算温度结果与高炉实验 结果进行对比分析。 3 ．1 z 0 础平面内气体速度分布 图2 为气体在回旋区彳 0 省y 平面内的速度矢 量图。气体从左侧中心进入 下同 。与焦炭颗粒 相互作用下，近风口区径向气体速度梯度较大，整个 万方数据 第3 期郭术义等高炉回旋区湍流特性 1 0 3 回旋区绝大部分气体的速度小于1 6 m ／s 。 3 ．2z 0 叫平面内气体温度分布 图3 为回旋区在彳 0 戈y 平面内气体温度分布 图。进入风口后，氧气与焦炭发生完全燃烧，释放出 热。具有一定体积的焦炭与氧气的反应并非瞬间反 应，受高速气体影响，焦炭与C O 不断向外围移动、 扩散，在火焰外围达到较高的温度。周围气体温度 1 一红外测量仪；2 一固定装置；3 一高炉进风管 低，是由于焦炭的熔损反应吸收热量的缘故。计算 图5 风口温度红外测量装置 的回旋区最高热力学温度为2 6 7 0 K 。 F i g ．5 I n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n te q u i p m e n t 焦炭的熔损反应，更外围空间，C 0 ，浓度降低。在。 0 z ，平面内c O 气体的平均浓度大于8 ．5 ％，峰值 达到1 7 ％。 图3z 0 删平面内气体温度分布 F i g ．3 G a st e m p e r a t u r ed i s t r b u t i o n 为验证数值模拟结果的准确性，在济钢l8 高炉 进行红外测温试验。安装的红外玻璃可通过光波波 长为0 ．8 ～1 ．2L L m 。图4 为在某日下午1 3 1 4 时测 量的温度曲线，该时间段平均温度为2 2 3 2 ℃。试验 装置如图5 所示。 p 似 赠 ‘’√- 、小U o1 泸 、一 、一、， 1 31 4 2 2 ；．2 图4 风口温度测量曲线 F i g ．4T e m p e r a t u r ec u r V e 对比图3 和图4 可以发现，数值模拟温度比高 炉通过红外方式获得温度高1 6 0 ℃，误差率为7 ％。 分析原因为，高炉炉墙、风口小套等通过水冷、辐射 等方式散热，数值计算时没有考虑高炉回旋区实际 发生的如水煤气等吸热反应。 3 ．3 叫平面内气C o 。o ，C o 组分分布 图6 是C O ，在z 0 x y 平面分布。受高速气流 影响，c O 主要在燃烧火焰的外围空间分布。由于 图6z 0 删平面内C o 组分分布 F i g ．6C 0 2d i s t “b u t i o ni nz 0 戈，，p l a n e 图7 是0 在z 0 和z 0 ．8 z ，，平面分布。在z 0 戈y 平面内，O 的浓度由峰值2 3 ．2 ％下降到不到 1 ％，这种变化与高炉相关书籍中的预测相符合。 图7z 0 删平面内o 分布 F i g ．7 0 2d i s t “b u t i o ni nz 0z yp l a n e 图8 和图9 是C O 分别在z 0 和。 0 ．8 戈 ，平 面浓度分布。图8 除中心地带C O 的浓度较低之 外，其他区域c 0 的浓度大于1 0 ％，峰值达到了 2 7 ．4 ％。图9 中c O 的峰值浓度有所下降，但平均 浓度大大提高了。图8 和图9 中c 0 主要集中于高 炉的边缘，该高炉可能中心气流弱，边缘气流强。大 量高炉操作实践证明了该推断的正确性。 万方数据 1 0 4 有色金属第6 1 卷 图8 F i g ．8 4结论 z 0 删平面内C o 组分分布 C Od i s t r i b u t i o ni nz 0 石yp l a n e ’利用软件A N S Y SI C E MC F D5 ．1 建立了回旋区 几何模型，采用c F x 考虑回旋区内焦炭颗粒的输运 过程、热解过程、燃烧过程以及气体之间的化学反应 过程、气流的湍流、物理传热过程，对高炉回旋区进 行数值模拟，得到了高炉回旋区内气体速度、温度及 气体组分C 0 和O ，的浓度分布。 图9z O ．8 叫平面内C o 组分分布 F i g ．9 C Od i s t r i b u t i o ni nz 0 ．8 髫yp l a n e 回旋区内绝大部分气体速度小于1 6 m ／s 。数值 计算温度大于红外测量温度。在颗粒粒子数目为 1 0 0 0 的情况下，在彳 0 髫y 平面内c O 气体的峰值 浓度为1 7 ％，c O 峰值达到了2 7 ．4 ％。 分析结果基本与高炉操作实践吻合，较好反映 了回旋区内部的状态，为选择合适的高炉操作制度 提供帮助。 参考文献 [ 1 ] 傅世敏，刘子久，安云沛．高炉过程气体动力学[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 0 1 5 3 1 5 5 ． [ 2 ] 福武刚．高炉回旋区和炉缸工作文集[ M ] ．杜鹤桂译．北京冶金工业出版社，1 9 8 6 2 5 3 0 ． [ 3 ] 陈义胜，贺有多．高炉风口回旋区三维数学模型[ J ] ．金属学报，1 9 9 3 ，2 9 1 0 4 3 3 4 3 7 ． [ 4 ] 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，2 0 0 4 ，1 6 4 2 1 2 4 ． [ 5 ] 杨天钧，徐金梧．高炉冶炼过程控制模型[ M ] ．北京科学出版社，1 9 9 5 3 5 4 5 ． T u r b u l e n tF l o wC h a r a c t e r i s t i c sA n a l y s i so fB FR a c e w a y G U 0 _ s u ．y i l ，形Uy 口n r o n 9 2 ，H O Uy 。n 母￡n 1 1 ．J 7 、7 b r ￡ C 危i n 口，n s t i t “f e ∥’彤口t e rC o n s e ，w 8 n c yo 几dE Z e c f r i cP o 埘e r ，Z e n g z o “4 5 0 011 ，C 危i n n ； 2 ．| s o Ⅱd o 增A r c 而i ￡e c t u r eu n i ∥e ，苫i ￡y ，t ，i n n n2 5 0 0 l4 ，C i 凡口 A b s t r a c t T h eb l a s tf u r n a c e B F r a c e w a y7 st u r b u l e n tn o wc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e db ya n a l y s i so ft h ec o k e m o v e m e n t ，c o k ep y r o g e n a t i o n ，c o k ec o m b u s t i o n ， c h e m i c a lr e a c t i o n sa m o n gg a sc o m p o n e n t sa n dg a st u r b u l e n tw i t h t h eC F Xs o f t w a r e ，a n dt e m p e r a t u r em e a s u r eo ft h eB Fr a c e w a yb yi n f r a r e dr a y ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ed i s t r i b u t i n gr u l e so fg a sv e l o c i t y ，t e m p e r a t u r e ，C 0 2a n d0 2 ，e t c ．a r ec o n s o n a n tw i t ht h et e m p e r a t u r em e a s u “n g r e s u l t sa n do p e r a t i o np r a c t i c e ．T h ev e l o c i t yo fm o s tg a si nt u r b u l e n ta r e aa r el e s st h a n1 6 m ／s ． T h et e m p e r a t u r e c o m p u t e db yt h en u m e r i c a lr e s o l u t i o ni sl a r g e rt h a nt h ei n f } a r e dm e a s u r e m e n tt e m p e r a t u r e ． U n d e rt h ec o n d i t i o no f 1 0 0 0c o k ep a r t i c l e s ，t h em a X i m u me o n c e n t r a t i o no fC 0 2i s1 7 ％，a n dt h em a x i m u mc o n c e n t r a t i o nC Oi s2 7 ，4 ％i n t h ez 0 戈yp l a n e ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；b l a s tf u r n a c e ； t u r b u l e n tn o wc h a r a c t e r i s t i c s ；r a c e w a y 万方数据