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1、高炉块状带煤气流分布的数值模拟朱清天1 程树森2( 北京科技大学冶金与生态工程学院1 0 0 0 8 3 )摘要高炉内煤气流的分布状况直接影响煤气利用率与高炉顺行，其密l = j j 性给高温煤气流的研究带来了困难。在高炉生产中，煤气流从风n 鼓人回旋区，先后经过了滴落带、软熔带与块状带三次分布，特别是块状带较厚，受软熔带及下部影响后的煤气流进人块状带将重新分布。近几年国外运用数值模拟方法对煤气流的分布进行了广泛的研究，而国内在此方面的研究却较少。本文通过数值模拟软件，建立软熔带及块状带内煤气流的流动模型，分析了炉料透气性均匀分布、炉壁结瘤及料面不均匀分布等情况下炉内煤气流的分布，讨论了煤气流
2、在块状带的重新分布的“整流”现象及炉顶煤气流所包含的实际信息，为指导实际高炉生产操作奠定基础。 美键词高炉煤气流块状带数值模拟1 引言高炉煤气流的合理分布，是维护炉况稳定J 幔行与改善煤气利用率的重要因素。采用适当的上下部调剂手段控制和调节炉内煤气流分布是高炉最基本的操作方法之一【l j 。通过长期的高炉生产实践表明，作为上部调节手段的装料制度对高炉煤气流分布具有重要作用。封闭的高炉和复杂的炉况，对研究高炉煤气流的分布带来很大的困难。目前常通过监测炉顶煤气流的分布情况来估计高炉内部炉况、煤气流分布及软熔带形状。实际生产中，煤气流分布自下而上可分为风口回旋区的初始流分布炉腰到炉身下部的煤气流分布
3、和炉身上部分布L 1J 。煤气经回旋区、滴落带及软熔带两次分布后进入块状带，受炉料分布不均的影响，发生煤气流的重新分布。炉料透气性好将促进煤气流发展，反之则抑制煤气流发展，甚至导致悬料、管道等炉况的发生。近几年数值模拟在高炉中的应用得到了飞速发展，高炉“黑匣子”的不可见性正在变的可见，其中布料与煤气问的影响关系也已成为了研究热门之一 ”。本文通过数值模拟的流体软件，建立软熔带及块状带内煤气流的流动模型，分析了煤气流在散料层上升过程中的“整流”现象，并研究炉顶煤气流包含的实际信息，为指导实际高炉生产操作奠定基础。2 模型本模型主要研究高炉软熔带及块状带的煤气流分布，认为高炉为轴对称且炉身直径相等
4、，简化的二维模型见图1 。模型中，矿石与焦炭层交替分布，在炉身下部矿石软化及熔化形成软熔带，而与软熔矿石交替的焦炭层成为“焦窗”。实际中软熔带形状多样不是模型中简单的三角“倒v ”型，而且滴落带中固、液、气三相运动也相当复杂。但本模型主要用来研究块状带、软熔带及下部基盒项目：国家自然科学基金资助项目( 6 0 4 7 2 0 9 5 )1 朱清天，男，1 9 8 1 年出生，硬士，T e l ：1 3 3 6 0 5 0 5 7 8 2 e m a i i ：b | u e T s k y t y a h o o c o i n 饥2 程树森，男，教授、博士生导师e m a i l ：c h
5、鼬啦u 卵n m e t a U u s t be d u c n4 9 4 根方程反映了煤气流穿过料层的压力损失变化。在模型中焦炭、矿石及软熔带用不同的空隙度、颗粒粒径、形状因子来表现各层不同的透气性与压力损失。通过给定边界条件，可对模型进行离散求解。3 结果与讨论3 1 均匀布料当矿焦层厚度相等，且各料层透气性分布均匀，则模拟所得的煤气流、等压线及流线分布如图2 。从图2( a ) 中可见，煤气出软熔带时，在“焦窗”处有较大流量分布，软熔带底部的煤气流量相对于较小。受软熔带形状影响，煤气出软熔带后中心煤气流很大，但煤气进入透气性分布均匀的科层后，煤气流发生重新分布( 简称“整流”) ，即煤
6、气流径向分布随各料层透气性的分布而变化。高炉中焦炭层与矿石层交替分布，煤气上升过程中常在透气性小的矿石层受阻，为达到煤气流经过路径最短、压损最小，煤气流动方向趋于垂直料面。由于轴向上方的矿石层影响，在透气性较好的焦炭层，则煤气流动方向偏向于壁边。从图中料面的煤气流分布可清楚看出料面形状对炉顶煤气分布的影响，中心煤气流速大，且随靠近壁面煤气流速递减，这是由于料面倾角的存在，较低的中心料面促进了炉顶中心煤气流的发展。因而料面形状对炉顶煤气流的分布影响也是相当大的。从图2 ( b ) 煤气的等压线可看出，煤气在软融带的顶部压损最大，约占总压损的4 0 。各料层中煤气压损也有很大不同，矿石层压降梯度较
7、大，且等压线平行于料层倾面。焦炭层压损远小于矿石层，等压线偏于水平。在料面附近，高炉中心煤气的流速与压力梯度均较大，这也是由于料面倾角所引起。从图2 ( c ) 煤气流线中可见，煤气在从风口进入后在软熔带受阻，绕过阻力较大的熔化矿石层，从焦炭层流出，在软熔带顶部的“焦窗”分布有大量的煤气流。进入块状带后，煤气流发生“整流”，使煤气流趋于均匀，并如图3 在交替的矿焦层内流动，直至流出料面进入空区，成为炉顶煤气。石 戋若发图2 炉料均匀分布下煤气流、等压线和流线分布图3 2 高炉结瘤高炉结瘤将改变炉身的内部形状，从而导致煤气流分布的变化。炉墙上大范围的结瘤，将形成新的内壁面，由于内径变小，流速均应
8、相对增加。而小块结瘤改变局部煤气流分布，这将可能导致大范围的结瘤和悬料的发生。图5 模拟了高炉炉壁结瘤时炉内煤气流、等压线及流线分布图，结瘤厚度为炉身半径的2 0 。从煤气流的速度矢量图3 ( a ) 可见，壁边附近的煤气流上升到结瘤处受阻，煤气流将绕过瘤体，分布发生变化，瘤体附近的煤气流相对较大。但当煤气流到瘤体上方时，由于瘤体上方压强较低，煤气向壁边流去，再 4 9 5 爹耄蔓黝虿耋妄饕妻爹至笔乏雾蚕季么；豸多乏= 三菇三三三三三2 2 一图3 高炉结瘤下煤气流、等压线及流线分布图次发生局部“整流”，直至整个料层的煤气流分布与炉料透气性分布一致。从图3 ( b ) 的压力分布图可见，煤气流
9、在结瘤处局部压损很大，而瘤体上下部位的料层由于煤气的绕行，相应的流速较小因而压损也相对变小。与瘤体所在的同一料层由于相对炉身内径减小，则煤气流速增大，导致压损上升，特别在靠近瘤体处，绕流而成的煤气流很大，压损也就更大。因而，当炉墙厚时会使煤气总压损增大，且瘤体所在层的压降梯度也将变大，这将可能导致高炉悬料的发生。从流线图3 ( c ) ，可清楚看出煤气流绕过瘤体，使煤气流分布发生变化，但上部均匀炉料的“整流”又使煤气流分布回归均匀。可见在块状带，初始的煤气流分布影响距离相当有限，煤气流分布趋向于由炉料自身分布状况决定。因而，如果结厚处离料面较远时，由于料层的“整流”作用，炉顶煤气流分布是无法反
10、映下部结瘤状况的。但从壁边煤气绕流可见，壁边局部结瘤可延长煤气流动路径，从而将提高壁边煤气的利用率，使壁边炉顶煤气流的c 0 2 浓度增大。可见，虽然炉顶煤气流的分布不能反映高炉内部的炉况。但炉顶煤气的C 岛分布曲线却能用来判断炉内结瘤等状况。3 3 不均匀料面，-富菩3 覃一21On a d i u $ ( m )图4 料面不均匀下煤气流分布图图5 料面煤气流径向分布曲线料面形状及矿焦比分布受装料影响最大，尤其是无钟炉顶的使用，炉料表面的矿焦比分布就显得更为复杂。图4 模拟了炉料装入后，料面分布有单环矿石层时煤气流分布情况。可见，由于受到最上部装入透气性较差的矿石层影响。煤气流在接近料面时分
11、布发生变化，在矿石层下部的煤气趋向于绕过矿石层流出料面，特别在高炉中心。料面低，透气性又好，因而煤气集中从料面中心溢出，使炉顶中心煤气流最大。当布料时装矿石的表面煤气流较小，丽在环问或矿焦比较小处的煤气流将较大，这大大改变了炉顶煤气分布，所以炉顶煤气流的分布最能反映的是料面形状及分布情况。图5 为此情况下料面煤气流径向分布曲线。从曲线可看出，内部均匀的块状带分布由于受料面分布的影响，而使炉顶煤气流分布成“w ”型。因而料面处炉料的分布情况将直接影响炉顶煤气分布，通过炉顶煤气分布来预测下部煤气的分布情况受装料干扰很大。一4 9 6 4 结论( 1 ) 本模型基于欧根方程与湍流模型，研究了不同情况
12、下煤气流在块状带的分布，为指导实际高炉生产操作奠定基础；( 2 ) 炉料均匀分布时，块状带内部煤气流分布均匀。煤气在矿石层压降梯度大于焦炭层。在上升过程中的煤气流动路径成周期性波动，在矿石层煤气流动方向垂直料层面，而在焦炭层煤气偏向炉墙流动；( 3 ) 高炉炉墙结瘤，使瘤体附近的煤气绕流，增大煤气压损，经过瘤体后的煤气流将发生重新分布因而上部的煤气流分布将难以反映高炉结瘤状况。( 4 ) 炉顶煤气流分布受料面影响较大，料面相对低且矿焦比小的炉顶煤气流较大。因而利用炉顶煤气流分布检测内部煤气流和炉况时，受料面“整流”的干扰很大。参考文献 1 文学铭，麋克勤，沈震世等宝钢炼铁生产工艺黑龙江科学技术
13、出版社，1 9 9 4【2 J u a n 儿M E N E Z ，J a v i e rM O C H O Na n dJ e s u sS a i n zd eA Y A L A M a t h e m a t i c a lM o d e lo fG a sF l o wD i s t r i b u t i o ni nas c a kM o d do faB l a s tF u r n a c eS h a f t I S I J l r t t e r n a t i o r m l ，2 0 0 4 4 4 ( 3 ) ：5 1 8 5 2 6【3 J i z h o n gC
14、 H E N ，T o r n o h i l “ OA K I Y A M Aa n dJ u n i c h i r oY A G I E f f e c to fB u r d e nD i s t r i b u t i o nP a t t e r no nG a sF l o wi naP a c k e d B e d I s I JI n t e r n a t i o n a l ，1 9 9 2 ，3 2 ( 1 2 ) ：1 2 5 9 1 2 6 7( 4 张先棹冶金传输原理北京：冶金工业出版杜，1 9 8 8 5 孙天亮，程索森，杨天钩等高炉炉缸铁水流动的数值模拟冶金
15、研究，2 0 0 4 ：4 7 5 4【6 王筱留钢铁冶金学( 炼铁部分) 北京：冶金工业出版社，2 0 0 0( 上接第4 8 3 页)从图1 2 可以看出废塑料比煤粉在高炉风温下具有良好的燃烧性能，且有较高的燃烧率。3 结论( 1 ) 塑料P E 颗粒在模拟风温1 2 0 0 时燃烧，粒度大小对燃烧过程有一定的影响；在1 2 5 0 时粒度大小对燃烧过程几乎没什么影响。( 2 ) 塑料P E 颗粒越大燃烧率就越高；1 2 5 0 时的燃烧率比1 2 0 0 时的燃烧率高。( 3 ) 塑料P E 与煤耪混合燃烧，含煤粉多的混合物在其它燃烧条件相同的情况下，c Q 消失的时间长，全 部燃烧的时
16、间也长。( 4 ) 塑料P E 颗粒与煤粉混合物中塑料粒度大而含煤粉多的试样燃烧率最高。( 5 ) 在供氧较充分条件下，废塑料颗粒燃烧速度和燃烧率大大高于煤粉。参考文献 1 周新中国塑料生命周期的环境一经济综合评价 J 环境保护，1 9 9 8 7 ：3 4 3 7 2 龙世刚，盂庆民，汪志全等，废塑料微热塑化造粒和环境保护 J 安徽工业大学学报，2 0 0 3 ，4 ( 2 0 ) ：2 7 8 2 8 2 3 盂庆民，龙世刚，汪志全废塑料软化特性及微加热的研究【J 安徽工业大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 3 ，2 0 ( 4 ) ：1 0 6 1 0 8 4 陈义良，张孝春，孙慈，季鹤鸣燃烧原理 M 北京，航空工业出版社，1 9 9 2 ：5 8 6 14 9 7 高炉块状带煤气流分布的数值模拟高炉块状带煤气流分布的数值模拟作者：朱清天， 程树森 作者单位：北京科
