氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟

工程科学学报，第37卷，第5期：638647,2015年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.5:638-647,May 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.016:http://journals.ustb.edu.cn 氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 张仕洋，薛庆国，刘锦周，佘雪峰，王静松⑧ 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangjingsong(@usth.cdu.cm 摘要炉顶煤气循环一氧气鼓风高炉炼铁新技术的工艺特点决定了煤粉在其回旋区内的燃烧条件与传统高炉相比将发生 很大变化.本文建立了氧气高炉直吹管一风口一回旋区下部煤粉流动和燃烧的数学模型，研究了入口布置方式、氧含量、循 环煤气温度以及H,0和CO2含量对煤粉燃烧的影响.模拟结果表明：三种引入方式中，假想的循环煤气和氧气混合进入方式 明显优于循环煤气和氧气单独进入方式.当氧的体积分数由80%增加到90%，相应的煤粉燃尽率由87.525%提高到 93.402%.循环煤气温度对煤粉燃尽率的影响并不显著.循环煤气中H,0和C0,的体积分数提高5%，风口轴线上气体的最 高温度分别降低124K和113K 关键词氧气高炉：回旋区；气一固流动：煤粉燃烧：数值模拟 分类号TF538.6 Numerical simulation of pulverized coal combustion in the raceway of an oxygen blast furnace ZHANG Shi-yang,XUE Qing-guo,LIU Jin-zhou,SHE Xue-feng,WANG Jing-song State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangjingsong@ustb.edu.cn ABSTRACT The technological characteristics of a top gas recycling oxygen blast furnace determine that in comparison with a tradi- tional blast furnace the combustion condition of pulverized coal in the raceway has great changes.A mathematical model of pulverized coal flow and combustion in the blowpipe-tuyere-raceway bottom is developed in this paper.The influences of entry modes,oxygen enrichment,recycling gas temperature,HO and CO contents on the burnout of pulverized coal are investigated by this model.The results indicate that an entry mode with the premixing of recycling gas and oxygen is obviously better than two other modes with recy- cling gas and oxygen entering alone.When the oxygen content changes from 80%to 90%the coal burnout increases from 87.525%to 93.402%.The effect of recycling gas temperature is not significant.The maximum gas temperature along the tuyere axis decreases by 124K with the increasing of H2O content in the recycling gas by 5%,and it drops by 113 K for CO2. KEY WORDS oxygen blast furnaces;raceways;gas-solid flow:pulverized coal combustion:numerical simulation 符号表 A,A,A2 指前因子： Ci,C2 湍流模型常数： Ap 颗粒表面积，m2: CD 拖曳系数： 质量扩散限制速率常数： Cy 粒子的比热容，JkgK: C。 原煤的质量，kg: C 经验常数，0.09： 收稿日期：2013-12-24 基金项目：国家自然科学基金委员会与宝钢集团有限公司联合资助项目(51134008)：国家科技支撑计划资助项目(2011BAC01B02)

工程科学学报，第 37 卷，第 5 期: 638--647，2015 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 5: 638--647，May 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 05． 016; http: / /journals． ustb． edu． cn 氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 张仕洋，薛庆国，刘锦周，佘雪峰，王静松 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: wangjingsong@ ustb． edu． cn 摘 要 炉顶煤气循环--氧气鼓风高炉炼铁新技术的工艺特点决定了煤粉在其回旋区内的燃烧条件与传统高炉相比将发生 很大变化． 本文建立了氧气高炉直吹管—风口—回旋区下部煤粉流动和燃烧的数学模型，研究了入口布置方式、氧含量、循 环煤气温度以及 H2O 和 CO2 含量对煤粉燃烧的影响． 模拟结果表明: 三种引入方式中，假想的循环煤气和氧气混合进入方式 明显优于循环煤气和氧气单独进入方式． 当氧的体积分数由 80% 增加到 90% ，相应的煤粉燃尽率由 87. 525% 提高到 93. 402% ． 循环煤气温度对煤粉燃尽率的影响并不显著． 循环煤气中 H2O 和 CO2 的体积分数提高 5% ，风口轴线上气体的最 高温度分别降低 124 K 和 113 K． 关键词 氧气高炉; 回旋区; 气--固流动; 煤粉燃烧; 数值模拟 分类号 TF538. 6 Numerical simulation of pulverized coal combustion in the raceway of an oxygen blast furnace ZHANG Shi-yang，XUE Qing-guo，LIU Jin-zhou，SHE Xue-feng，WANG Jing-song State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: wangjingsong@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The technological characteristics of a top gas recycling--oxygen blast furnace determine that in comparison with a tradi￾tional blast furnace the combustion condition of pulverized coal in the raceway has great changes． A mathematical model of pulverized coal flow and combustion in the blowpipe--tuyere--raceway bottom is developed in this paper． The influences of entry modes，oxygen enrichment，recycling gas temperature，H2O and CO2 contents on the burnout of pulverized coal are investigated by this model． The results indicate that an entry mode with the premixing of recycling gas and oxygen is obviously better than two other modes with recy￾cling gas and oxygen entering alone． When the oxygen content changes from 80% to 90% the coal burnout increases from 87. 525% to 93. 402% ． The effect of recycling gas temperature is not significant． The maximum gas temperature along the tuyere axis decreases by 124 K with the increasing of H2O content in the recycling gas by 5% ，and it drops by 113 K for CO2 ． KEY WOＲDS oxygen blast furnaces; raceways; gas--solid flow; pulverized coal combustion; numerical simulation 收稿日期: 2013--12--24 基金项目: 国家自然科学基金委员会与宝钢集团有限公司联合资助项目( 51134008) ; 国家科技支撑计划资助项目( 2011BAC01B02) 符号表 A，A1，A2 指前因子; AP 颗粒表面积，m2 ; C 质量扩散限制速率常数; C0 原煤的质量，kg; C1，C2 湍流模型常数; CD 拖曳系数; CP 粒子的比热容，J·kg － 1·K － 1 ; Cμ 经验常数，0. 09;

张仕洋等：氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 ·639 0 扩散系数： Yn 某一特定的反应物组分的质量分数： E,E,E, 活化能： d 风口直径，m; E 鼓风动能，kgms: 颗粒直径，m; 力 焓，Jkg1: fo 颗粒受到的拖曳力，N; H. 反应热，J小kg: 重力加速度： 辐射强度，Wm2s: 湍动能，m282: Ln 回旋区深度； 反应速率常数： M. 第种物质的是相对分子质量： 颗粒质量的转变速率，kg·s: 表观反应级数： mp 颗粒质量，kg: 压强，Pa: n 风口数目： 大气压力，Pa: ne 单位体积内的颗粒数，m3: B 鼓风压力，Pa: 9 粒子的热流量，W: P. 气相中组分n的分压，Pa: 组分i的扩散系数 号 颗粒表面组分的单位面积反应速率， a1,a2 双反应竞争模型中挥发分产率： kg'm-2.s-; B 温度指数： Ryn 动力学速率： 湍流耗散率，m2s3: T 热风温度，K; ? 颗粒的发射率： f 气体温度，K: 之 有效因子： Tp 颗粒温度，K: 导热系数，W.m-1.K-1: T乡 气体的温度，K: 动力黏度，Pas; C 气体的速度，ms1: L 湍流黏度，Pas; Up 颗粒的速度，ms1: vias 反应r中反应物i的化学计量系数： w 鼓风流量，m3s1: 气体的密度，kgm3; W 组分i的化学反应速率，kgm3s: Py 鼓风密度，kgm3: y 组分i的质量分数： GE 斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.672×10-8 5 颗粒表面组分广的质量分数： W.m-2.K-4: Yp 任一生成物组分的质量分数： 湍流模型常数。 传统高炉炼铁技术在继续提高生产效率、加强能 响，结果表明鼓风含氧量对煤粉燃尽率的影响较其他 量利用等方面的潜力有限，在全球焦煤资源匮乏和环 二者更显著.Jovanovic等以不同氧含量下煤粉的着 境恶化的双重压力下，开发以煤为主要能源的新的炼 火位置为研究对象，采用实验和数值模拟相互验证的 铁工艺逐渐受到关注.以粉煤和纯氧为主要原料的炉 方法，得出了高氧势下煤粉由均匀着火向非均匀着火 顶煤气循环一氧气鼓风高炉炼铁技术是有可能实现规 转变的结论，在此基础上提出了修正的煤粉顺次燃烧 模化应用的煤一氧炼铁新工艺之一.炉顶煤气循环一氧 模型，该模型的模拟结果与实验结果的吻合度很高 气鼓风高炉炼铁技术采用常温氧气代替热风，大量喷 近年来，高炉喷吹技术逐渐多样化.由于气体的点火 吹煤粉，并将高炉煤气脱除CO,后返回高炉利用，其 速度较快，其燃烧放出的热量能够加速煤粉的燃烧，故 具有生产率高、高喷煤量、低焦比、煤气热值较高等优 学者们对气一固喷吹进行了一些探索.Murai等因模拟 越性1-刀 研究了同时喷吹甲烷和煤粉后直吹管内的现象，结果 风口回旋区是高炉生产的热量源泉和煤气发生 表明管内的温度和C0含量与单独喷煤相比均升高. 地，研究其形成和反应情况具有重要意义。作为制约 氧气高炉新工艺通过采用纯氧鼓风和炉顶煤气在 大喷煤的关键因素，回旋区内煤粉的燃烧程度逐渐受 风口的循环喷吹将超高富氧和气一固喷吹结合起来， 到关注.由于物理实验难以模拟煤粉燃烧时高炉内高 煤粉的燃烧条件大大优于传统高炉，而目前针对氧气 温高压封闭的环境，数值模拟的方法应运而生.多年 高炉回旋区下部煤粉燃烧数值模拟方面的研究却很 来，学者们在喷吹煤粉燃烧的数值模拟方面做了大量 少.本文通过适当的几何模型设置，避免了回旋区内 研究.Shen等网基于传统高炉建立了完整的喷煤枪、 流动循环的发生，忽略了焦炭层的影响，重点研究入口 直吹管、风口和回旋区煤粉燃烧的模型，考察了鼓风温 布置方式、氧含量、循环煤气温度、H0和C02含量对 度、鼓风含氧量、喷煤冷却气体种类等对煤粉燃烧的影 煤粉在氧气高炉回旋区下部水平射流区域内燃烧行为

张仕洋等: 氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 D0 扩散系数; E，E1，E2 活化能; Eb 鼓风动能，kg·m·s － 1 ; H 焓，J·kg － 1 ; Hreac 反应热，J·kg － 1 ; I 辐射强度，W·m － 2·s － 1 ; LＲ 回旋区深度; Mw，i 第 i 种物质的是相对分子质量; N 表观反应级数; P 压强，Pa; P0 大气压力，Pa; Pb 鼓风压力，Pa; Pn 气相中组分 n 的分压，Pa; Ｒj 颗粒表面组分 j 的单位面积反应速率， kg·m － 2·s － 1 ; Ｒkin 动力学速率; Tb 热风温度，K; Tg 气体温度，K; TP 颗粒温度，K; T∞ 气体的温度，K; U 气体的速度，m·s － 1 ; UP 颗粒的速度，m·s － 1 ; Vb 鼓风流量，m3 ·s － 1 ; Wi 组分 i 的化学反应速率，kg·m － 3·s － 1 ; Yi 组分 i 的质量分数; Yj 颗粒表面组分 j 的质量分数; YP 任一生成物组分的质量分数; YＲ 某一特定的反应物组分的质量分数; db 风口直径，m; dP 颗粒直径，m; fD 颗粒受到的拖曳力，N; g 重力加速度; k 湍动能，m2 ·s － 2 ; k1，k2 反应速率常数; m · 颗粒质量的转变速率，kg·s － 1 ; mP 颗粒质量，kg; n 风口数目; nP 单位体积内的颗粒数，m － 3 ; q 粒子的热流量，W; Γi 组分 i 的扩散系数; α1，α2 双反应竞争模型中挥发分产率; β 温度指数; ε 湍流耗散率，m2 ·s － 3 ; εP 颗粒的发射率; η 有效因子; λ 导热系数，W·m － 1·K － 1 ; μ 动力黏度，Pa·s; μt 湍流黏度，Pa·s; ν' i，r 反应 r 中反应物 i 的化学计量系数; ρ 气体的密度，kg·m － 3 ; ρb 鼓风密度，kg·m － 3 ; σB 斯蒂芬--波尔兹曼常数，5. 672 × 10 － 8 W·m － 2·K － 4 ; σk，σε 湍流模型常数． 传统高炉炼铁技术在继续提高生产效率、加强能 量利用等方面的潜力有限，在全球焦煤资源匮乏和环 境恶化的双重压力下，开发以煤为主要能源的新的炼 铁工艺逐渐受到关注． 以粉煤和纯氧为主要原料的炉 顶煤气循环--氧气鼓风高炉炼铁技术是有可能实现规 模化应用的煤--氧炼铁新工艺之一． 炉顶煤气循环--氧 气鼓风高炉炼铁技术采用常温氧气代替热风，大量喷 吹煤粉，并将高炉煤气脱除 CO2 后返回高炉利用，其 具有生产率高、高喷煤量、低焦比、煤气热值较高等优 越性［1 － 2］． 风口回旋区是高炉生产的热量源泉和煤气发生 地，研究其形成和反应情况具有重要意义． 作为制约 大喷煤的关键因素，回旋区内煤粉的燃烧程度逐渐受 到关注． 由于物理实验难以模拟煤粉燃烧时高炉内高 温高压封闭的环境，数值模拟的方法应运而生． 多年 来，学者们在喷吹煤粉燃烧的数值模拟方面做了大量 研究． Shen 等［3］基于传统高炉建立了完整的喷煤枪、 直吹管、风口和回旋区煤粉燃烧的模型，考察了鼓风温 度、鼓风含氧量、喷煤冷却气体种类等对煤粉燃烧的影 响，结果表明鼓风含氧量对煤粉燃尽率的影响较其他 二者更显著． Jovanovic 等［4］以不同氧含量下煤粉的着 火位置为研究对象，采用实验和数值模拟相互验证的 方法，得出了高氧势下煤粉由均匀着火向非均匀着火 转变的结论，在此基础上提出了修正的煤粉顺次燃烧 模型，该模型的模拟结果与实验结果的吻合度很高． 近年来，高炉喷吹技术逐渐多样化． 由于气体的点火 速度较快，其燃烧放出的热量能够加速煤粉的燃烧，故 学者们对气--固喷吹进行了一些探索． Murai 等［5］模拟 研究了同时喷吹甲烷和煤粉后直吹管内的现象，结果 表明管内的温度和 CO 含量与单独喷煤相比均升高． 氧气高炉新工艺通过采用纯氧鼓风和炉顶煤气在 风口的循环喷吹将超高富氧和气--固喷吹结合起来， 煤粉的燃烧条件大大优于传统高炉，而目前针对氧气 高炉回旋区下部煤粉燃烧数值模拟方面的研究却很 少． 本文通过适当的几何模型设置，避免了回旋区内 流动循环的发生，忽略了焦炭层的影响，重点研究入口 布置方式、氧含量、循环煤气温度、H2O 和 CO2 含量对 煤粉在氧气高炉回旋区下部水平射流区域内燃烧行为 · 936 ·

·640 工程科学学报，第37卷，第5期 的影响，并与传统高炉进行比较，旨在分析决定煤粉燃 分数对连续相的影响：(5)不考虑未燃尽煤粉颗粒对 尽率的主要因素，为研究开发氧气高炉炼铁工艺提供 整个系统的影响. 参考 1.1模型的基本控制方程 本文中气体被看作连续相，流动形式为湍流，采用 1数学模型的建立 标准k一ε双方程封闭的稳态雷诺时均纳维一斯托克斯 为简化问题，本文作以下假设：(1)煤粉喷枪采用 方程来描述.气体的流动规律通过联立连续性方程、 单筒直管式：(2)煤粉颗粒假定为球形，且粒度相同： 动量方程、标准k一ε双方程来求解.气体的传热现象 (3)颗粒不存在破碎或合并的现象：(4)煤粉颗粒看作 采用能量方程来描述.采用组分输运方程来描述其质 离散相，忽略颗粒与颗粒之间的碰撞以及颗粒的体积 量的传递.气体相的控制方程如表1所示. 表1气体相控制方程 Table 1 Governing equations for the gas phase 连续性方程 .p0=多i 动量方程 -m-:a+h(TU+(Tm]=-(p+号)+王 能量方程 [uH-(六+兰)川]=g 组分方程（组分） -[w-(+)]= 湍动能方程 -p-(e+÷)-r-m 湍流耗散率方程 -[pe-(u+）e]=G-Gpe) 注%=p号：A=红*h)U[u,(r0. 单个喷吹煤粉颗粒的轨迹可以通过求解其动量方 1.2燃烧模型 程来获得.颗粒与气相之间的动量交换通过拖拽力实 煤粉在1160~1250℃不同氧含量的热风中燃烧， 现.颗粒的运动受气相和固相的相对速度支配。如果 主要经历以下四个阶段：①煤粉快速升温及热分解，同 假定煤粉颗粒为球形微粒，忽略体积力，其运动可以通 时挥发分着火；②挥发分燃烧：③挥发分燃烧后，固定 过拉格朗日模型来描述.煤粉颗粒采用离散颗粒轨道 碳预热和着火；④固定碳燃烧 模型来跟踪。颗粒的温度由三种传热形式来决定：对 (1)煤粉挥发分脱除模型.本文采用双反应竞争 流、与传质关联的相变潜热和辐射.如果假定煤粉颗 模型.该模型认为煤粉的热解由两个不同速率，不 粒是一个集总系统，则传导给整个颗粒的热量等于颗 同挥发分产率的一级反应构成，不同的温度范围内进 粒表面通过对流和辐射获得的热量之和.关于颗粒与 行不同的反应，其中VM,和VM2代表挥发分，C:和C2 颗粒之间，颗粒与连续相之间的辐射传热，本文采用 代表固定碳 P1辐射模型.煤粉颗粒的控制方程如表2所示 ，aVM+(1-a)C,(低温)： 煤 表2颗粒相控制方程 aVM2+(1-a)C2（高温). Table 2 Goveming equations for the particle phase 上述两个反应的化学反应速率常数可统一用阿伦尼乌 连续性方程 空 斯公式计算： k=Aexp(-E/RT）) (1) dUp mp由=-fo 动量方程 挥发分脱除速幸血(WM可表示为 -fo=mdipColU-UI (U-U) 6晋9 du(VM)=(k+)Co (2) d 其中，两个反应的指前因子和活化能分别为A,= 能量方程 -g=TdpANu(Ts-Tp)+ 3.7×103s,E1=149652Jmol-1;A2=1.46×103s-, Σ岩+An(l-o月 E2=250991J小mol.参照文献7]，a,取千燥无灰基 注：CD=max24(1+0.15Rea67)/Re,0.44]. 中挥发分的质量分数，a2=1.25a+0.92a1·

工程科学学报，第 37 卷，第 5 期 的影响，并与传统高炉进行比较，旨在分析决定煤粉燃 尽率的主要因素，为研究开发氧气高炉炼铁工艺提供 参考． 1 数学模型的建立 为简化问题，本文作以下假设: ( 1) 煤粉喷枪采用 单筒直管式; ( 2) 煤粉颗粒假定为球形，且粒度相同; ( 3) 颗粒不存在破碎或合并的现象; ( 4) 煤粉颗粒看作 离散相，忽略颗粒与颗粒之间的碰撞以及颗粒的体积 分数对连续相的影响; ( 5) 不考虑未燃尽煤粉颗粒对 整个系统的影响． 1. 1 模型的基本控制方程 本文中气体被看作连续相，流动形式为湍流，采用 标准 k--ε 双方程封闭的稳态雷诺时均纳维--斯托克斯 方程来描述． 气体的流动规律通过联立连续性方程、 动量方程、标准 k--ε 双方程来求解． 气体的传热现象 采用能量方程来描述． 采用组分输运方程来描述其质 量的传递． 气体相的控制方程如表 1 所示． 表 1 气体相控制方程 Table 1 Governing equations for the gas phase 连续性方程 Δ ·( ρU) = ∑nP m · 动量方程 Δ ·( ρUU) － Δ ·［( μ + μt ) ( Δ U + ( Δ U) T ) ］= － ( Δ P + 2 3 ρ ) k + ∑nP fD 能量方程 Δ ·[ ρUH ( － λ CP + μt σ ) H Δ ] H = ∑nP q 组分方程( 组分 i) Δ ·[ ρUYi ( － Γi + μt σY )i Δ Yi ] = Wi 湍动能方程 Δ ·[ ρUk ( － μ + μt σ ) k Δ ] k = Pk － ρε 湍流耗散率方程 Δ ·[ ρUε ( － μ + μt σ ) ε Δ ] ε = ε k ( C1Pk － C2 ρε) 注: μt = Cμ ρ k2 ε ; Pk = ( μ + μt ) Δ U［ Δ U + ( Δ U) T ］． 单个喷吹煤粉颗粒的轨迹可以通过求解其动量方 程来获得． 颗粒与气相之间的动量交换通过拖拽力实 现． 颗粒的运动受气相和固相的相对速度支配． 如果 假定煤粉颗粒为球形微粒，忽略体积力，其运动可以通 过拉格朗日模型来描述． 煤粉颗粒采用离散颗粒轨道 模型来跟踪． 颗粒的温度由三种传热形式来决定: 对 流、与传质关联的相变潜热和辐射． 如果假定煤粉颗 粒是一个集总系统，则传导给整个颗粒的热量等于颗 粒表面通过对流和辐射获得的热量之和． 关于颗粒与 颗粒之间，颗粒与连续相之间的辐射传热，本文采用 P1 辐射模型． 煤粉颗粒的控制方程如表 2 所示． 表 2 颗粒相控制方程 Table 2 Governing equations for the particle phase 连续性方程 dmP dt = － m · 动量方程 mP dUP dt = － fD － fD = 1 8 πd2 P ρCD | U － UP | ( U － UP ) 能量方程 mPCP dTP dt = － q － q = πdPλNu( Tg － TP ) + ∑ dmP dt Hreac + AP εP ( πI － σB T4 P ) 注: CD = max ［24( 1 + 0. 15Ｒe0. 687 ) /Ｒe，0. 44］． 1. 2 燃烧模型 煤粉在 1160 ～ 1250 ℃不同氧含量的热风中燃烧， 主要经历以下四个阶段: ①煤粉快速升温及热分解，同 时挥发分着火; ②挥发分燃烧; ③挥发分燃烧后，固定 碳预热和着火; ④固定碳燃烧． ( 1) 煤粉挥发分脱除模型． 本文采用双反应竞争 模型［6］． 该模型认为煤粉的热解由两个不同速率，不 同挥发分产率的一级反应构成，不同的温度范围内进 行不同的反应，其中 VM1和 VM2 代表挥发分，C1和 C2 代表固定碳． 煤 k1 k2 α1VM1 + ( 1 － α1 ) C1 ( 低温 → ) ; α2VM2 + ( 1 － α2 ) C2 → ( 高温) ． 上述两个反应的化学反应速率常数可统一用阿伦尼乌 斯公式计算: k = Aexp ( － E /ＲT) ． ( 1) 挥发分脱除速率dw( VM) dt 可表示为 dw( VM) dt = ( α1 k1 + α2 k2 ) C0 ． ( 2) 其中，两个反应的指前因子和活化能分别为 A1 = 3. 7 × 105 s － 1，E1 = 149652 J·mol － 1 ; A2 = 1. 46 × 1013 s － 1， E2 = 250991 J·mol － 1 ． 参照文献［7］，α1 取干燥无灰基 中挥发分的质量分数，α2 = 1. 25α2 1 + 0. 92α1 ． · 046 ·

张仕洋等：氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 641 (2)气体燃烧模型.挥发分含有C、H、0、N等元 后，固定碳开始进行氧化和气化反应.本文采用多表 素，其成分较复杂，它们通常被简化为几种燃料气体的 面反应模型网，固定碳表面发生的反应如下： 混合物.不同的研究中，挥发分组分的处理方式 C(s)+0.502=C0, 不同.本文中，将煤粉挥发分脱除过程中产生的VM C(s)+H,0=H2+C0, 和VM,简单地看成单一物质，也就是VM,和VM,在成 C(s)+C0,=2C0. 分上是相同的（统一用分子式C,H,0N。表示），在数 对于表面反应“颗粒组分j(s)+气相组分n(g)一→产 量上却是不相同的.Shen等国的模拟计算结果表明这 物”，组分j的消耗速率 种假设得到的结果与实验结果能很好地吻合，挥发分 R=ApnY R (4) 的燃烧分两步进行，其反应式为： 其中 VM +a02=bCO+cH2O+dN2; C0+0.50,=C0, R=R(P.-是)广 未知的化学计量数的值由煤粉的工业分析和元素分析 D。=C- [Tn+T.）2]a5 计算得出. dp 循环煤气中的C0和H,与氧气接触后也会发生 燃烧，描述C0、H,、挥发分等气体的快速燃烧反应，本 R=ARe即(-品) 文采用有限速率/涡流耗散模型四.反应r中物质i 2 模拟条件 的产生速率R,可表示为 本文物理模型（二维）的建立基于初步设计的120 R,=min(R,R）. (3) m氧气高炉（其工艺流程如图1所示）的设计参数，具 其中，R=M4p会min（y.,Mk),R,=. 体数值如表3所示.其中，与循环煤气和氧气相关的 各参数的计算采用韩毅华等圆建立的高炉多区域约 MA是（∑，∑gM 束数学模型.表4为基本工况条件下的循环煤气和氧 (3)固定碳表面反应模型.挥发分全部析出之 气的温度及体积分数.表5显示的是与喷煤有关的参数 C044.88%:H,9.74:N,10.63C0,30.98%:H,05.77% 铁矿1660kg1 1498m.r1 焦炭220kgr 除尘 93m3,11 炉尘20.83kgr )加压 189m3+ 900℃ 加热 461m3,1 C064.32%:H,14.62% N,1594%:C0,4.50% 煤粉200k这 900℃ H,00.62%: 03258m2r 350m2. 铁水1000kg 炉渣332kg 图1炉顶煤气循环-氧气鼓风高炉炼铁工艺流程图 Fig.1 Flow chart of the ironmaking process with a top gas reeyeling-xygen blast fumace 表3120m3氧气高炉的设计参数 Table 3 Design parameters of the oxygen blast furnace with the volume of 120 m3 风压/MPa 风口数量 循环煤气流量/(m3h1)氧气流量/(m3h1) 风口直径/mm 煤粉流量/(kgh1) 0.2 1531.25 1130.89 90 875 注：循环煤气、氧气鼓风、煤粉和载气的流量均为单个风口的数值. 表4循环煤气与氧气的温度及体积分数 Table 4 Temperature and volume fraction of circulation gas and oxygen 循环煤气 氧气 T/K C0/% H2/% N2/% C021% H,0/% T/K 021% N2/% 1173 64.32 14.62 15.94 4.50 0.62 298 90 10 注：循环煤气、氧气鼓风、煤粉和载气的流量均为单个风口的数值

张仕洋等: 氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 ( 2) 气体燃烧模型． 挥发分含有 C、H、O、N 等元 素，其成分较复杂，它们通常被简化为几种燃料气体的 混合物． 不同的研究中，挥发分组分的处理方式［8 － 10］ 不同． 本文中，将煤粉挥发分脱除过程中产生的 VM1 和 VM2 简单地看成单一物质，也就是 VM1和 VM2 在成 分上是相同的( 统一用分子式 CxHyOzNw 表示) ，在数 量上却是不相同的． Shen 等［3］的模拟计算结果表明这 种假设得到的结果与实验结果能很好地吻合． 挥发分 的燃烧分两步进行，其反应式为: VM + aO2 bCO + cH2O + dN2 ; CO + 0. 5O2 CO2 ． 未知的化学计量数的值由煤粉的工业分析和元素分析 计算得出． 循环煤气中的 CO 和 H2 与氧气接触后也会发生 燃烧，描述 CO、H2、挥发分等气体的快速燃烧反应，本 文采用有限速率/涡流耗散模型［11］． 反应 r 中物质 i 的产生速率 Ｒi，r可表示为 Ｒi，r = min( Ｒi，r1 ，Ｒi，r2 ) ． ( 3) 其中，Ｒi，r1 = ν' i，r Mw，i Aρ ε k minＲ ( YＲ /ν' Ｒ，r Mw，Ｒ ) ，Ｒi，r2 = ν' i，r Mw，iABρ ε ( k ∑P YP ∑ N j ν″j，rMw，j ) ． ( 3) 固定碳表面反应模型． 挥发分全部析出之 后，固定碳开始进行氧化和气化反应． 本文采用多表 面反应模型［12］． 固定碳表面发生的反应如下: C( s) + 0 . 5O2 CO， C( s) + H2 O H  2 + CO， C( s) + CO2 2CO． 对于表面反应“颗粒组分 j( s) + 气相组分 n( g) → 产 物”，组分 j 的消耗速率 Ｒj = APηYj Ｒj ． ( 4) 其中 Ｒj = Ｒkin ( Pn － Ｒj D ) 0 N ， D0 = C ［( TP + T∞ ) /2］0. 75 dP ， Ｒkin = ATβ P ( exp － E ＲT ) P ． 2 模拟条件 本文物理模型( 二维) 的建立基于初步设计的 120 m3 氧气高炉( 其工艺流程如图 1 所示) 的设计参数，具 体数值如表 3 所示． 其中，与循环煤气和氧气相关的 各参数的计算采用韩毅华等［13］建立的高炉多区域约 束数学模型． 表 4 为基本工况条件下的循环煤气和氧 气的温度及体积分数． 表5 显示的是与喷煤有关的参数． 图 1 炉顶煤气循环--氧气鼓风高炉炼铁工艺流程图 Fig． 1 Flow chart of the ironmaking process with a top gas recycling--oxygen blast furnace 表 3 120 m3氧气高炉的设计参数 Table 3 Design parameters of the oxygen blast furnace with the volume of 120 m3 风压/MPa 风口数量 循环煤气流量/( m3 ·h － 1 ) 氧气流量/( m3 ·h － 1 ) 风口直径/mm 煤粉流量/( kg·h － 1 ) 0. 2 8 1531. 25 1130. 89 90 875 注: 循环煤气、氧气鼓风、煤粉和载气的流量均为单个风口的数值． 表 4 循环煤气与氧气的温度及体积分数 Table 4 Temperature and volume fraction of circulation gas and oxygen 循环煤气 氧气 T /K CO /% H2 /% N2 /% CO2 /% H2O /% T /K O2 /% N2 /% 1173 64. 32 14. 62 15. 94 4. 50 0. 62 298 90 10 注: 循环煤气、氧气鼓风、煤粉和载气的流量均为单个风口的数值． · 146 ·

·642 工程科学学报，第37卷，第5期 表5与喷煤有关的参数 Table 5 Parameters related to coal injection 质量分数（工业分析）/% 质量分数（元素分析）/% 水分 挥发分 灰分 固定碳 H 0 N 3.4 32.6 9.3 54.7 84.7 5.6 7.0 2.7 载气种类 载气温度/K 喷枪直径/mm 载气流量1(m3h)煤粉温度/K 喷枪倾角 N2 360 20 23.33 320 10° 注：循环煤气、氧气鼓风、煤粉和载气的流量均为单个风口的数值 图2为直吹管一风口一回旋区下部区域的几何模 表6模拟参数的取值 型.本文不考虑操作参数的改变对回旋区深度的影 Table 6 Values of simulation parameters 响，回旋区的深度由前苏联学者舒米洛夫等提出的经 参数 取值 验公式4-计算得出： 煤粉粒径Iμm 70 Lg=0.118×10-3E。+0.77. (5) 氧气体积分数% 80%,85%,90% 1 V/4VTP。 2 E=2P (6) 循环煤气温度/K 873,973,1073,1173,1273 gn\wnd273P。 循环煤气中C02体积分数/% 4.5%,9.5% 940 循环煤气中H,0体积分数/% 0.62%,5.62% 注：表格中加下划线的数值为基本工况条件下各变量的取值 场的求解采用SIMPLE算法.残差的选取为：能量和辐 200 射106，组分105，其他104.结合FLUENT软件的后 图2几何模型示意图（单位：mm) 处理功能和Tecplot360对模拟结果进行分析与可 Fig.2 Schematic diagram of the geometric model (unit:mm) 视化. 本研究中，没有大范围的焦炭回旋区域，参照文献 3 模型的验证 B,7],回旋区下部被设计成一个发散角为3°的扩张 管，这种几何模型的设置可以避免流动循环的发生，研 将本文建立的数学模型运用到传统高炉直吹管内 究重点是煤粉在高炉回旋区下部水平射流区域内的流 煤粉的燃烧模拟，考察不同鼓风温度和鼓风含氧量对 动和燃烧行为.因为该区域终点处的煤粉燃尽率将对 燃尽率的影响，并将模拟结果与Du等a在风口前获 回旋区的透气性产生重要影响，进而影响高炉下部煤 得的煤粉燃烧模拟结果进行对比，结果如图3所示. 气流分布.模拟中各参数的取值如表6所示. 由于本文的模拟条件与文献中提及的模拟条件不 本文采用GAMBIT进行几何建模和网格划分，统 尽相同，尤其是在煤粉粒径分布方面差异较大（文献 选用四边形结构化网格.划分完毕的网格文件导入 中煤粉粒径分布为：90μm,5%:63um,25%;45um, 到FLUENT流体计算软件中进行模型的选取和相关参 55%;20μm,15%.本文采用的是均匀分布，粒径为 数的设置.基本控制方程的离散采用有限体积法，流 70um),故模型验证时仅比较两种操作参数对煤粉燃 12 一模拟结果 11.8 6 0 0一文献结果 4.9 5.1 5. 93 8 6 6.2 34 9 2.0 4 4.7 。一摸拟结果 2 0一文献结果 1.9 14201440146014801500 15201540 22 23 24 25 鼓风温度水 鼓风中氧气体积分数% 图3模拟结果与文献结果的比较.()鼓风温度对煤粉燃尽率的影响：(b)鼓风中氧气体积分数对煤粉燃尽率的影响 Fig.3 Comparison of simulation results with literature results:(a)effect of blast temperature on pulverized coal burnout;(b)effect of 0,content on pulverized coal bumout

工程科学学报，第 37 卷，第 5 期 表 5 与喷煤有关的参数 Table 5 Parameters related to coal injection 质量分数( 工业分析) /% 质量分数( 元素分析) /% 水分 挥发分 灰分 固定碳 C H O N 3. 4 32. 6 9. 3 54. 7 84. 7 5. 6 7. 0 2. 7 载气种类 载气温度/K 喷枪直径/mm 载气流量/( m3 ·h － 1 ) 煤粉温度/K 喷枪倾角 N2 360 20 23. 33 320 10° 注: 循环煤气、氧气鼓风、煤粉和载气的流量均为单个风口的数值． 图 2 为直吹管—风口—回旋区下部区域的几何模 型． 本文不考虑操作参数的改变对回旋区深度的影 响，回旋区的深度由前苏联学者舒米洛夫等提出的经 验公式［14 － 15］计算得出: LＲ = 0. 118 × 10 － 3Eb + 0. 77． ( 5) Eb = 1 2 ρb Vb ( gn 4Vb πnd2 b TbP0 273P ) b 2 ． ( 6) 图 2 几何模型示意图( 单位: mm) Fig． 2 Schematic diagram of the geometric model ( unit: mm) 图 3 模拟结果与文献结果的比较． ( a) 鼓风温度对煤粉燃尽率的影响; ( b) 鼓风中氧气体积分数对煤粉燃尽率的影响 Fig． 3 Comparison of simulation results with literature results: ( a) effect of blast temperature on pulverized coal burnout; ( b) effect of O2 content on pulverized coal burnout 本研究中，没有大范围的焦炭回旋区域，参照文献 ［3，7］，回旋区下部被设计成一个发散角为 3°的扩张 管，这种几何模型的设置可以避免流动循环的发生，研 究重点是煤粉在高炉回旋区下部水平射流区域内的流 动和燃烧行为． 因为该区域终点处的煤粉燃尽率将对 回旋区的透气性产生重要影响，进而影响高炉下部煤 气流分布． 模拟中各参数的取值如表 6 所示． 本文采用 GAMBIT 进行几何建模和网格划分，统 一选用四边形结构化网格． 划分完毕的网格文件导入 到 FLUENT 流体计算软件中进行模型的选取和相关参 数的设置． 基本控制方程的离散采用有限体积法，流 表 6 模拟参数的取值 Table 6 Values of simulation parameters 参数 取值 煤粉粒径/μm 70 氧气体积分数/% 80% ，85% ，90% 循环煤气温度/K 873，973，1073，1173，1273 循环煤气中 CO2 体积分数/% 4. 5% ，9. 5% 循环煤气中 H2O 体积分数/% 0. 62% ，5. 62% 注: 表格中加下划线的数值为基本工况条件下各变量的取值． 场的求解采用 SIMPLE 算法． 残差的选取为: 能量和辐 射 10 － 6，组分 10 － 5，其他 10 － 4 ． 结合 FLUENT 软件的后 处理 功 能 和 Tecplot360 对模拟结果进行分析与可 视化． 3 模型的验证 将本文建立的数学模型运用到传统高炉直吹管内 煤粉的燃烧模拟，考察不同鼓风温度和鼓风含氧量对 燃尽率的影响，并将模拟结果与 Du 等［16］在风口前获 得的煤粉燃烧模拟结果进行对比，结果如图 3 所示． 由于本文的模拟条件与文献中提及的模拟条件不 尽相同，尤其是在煤粉粒径分布方面差异较大( 文献 中煤粉粒径分布为: 90 μm，5% ; 63 μm，25% ; 45 μm， 55% ; 20 μm，15% ． 本文采用的是均匀分布，粒径为 70 μm) ，故模型验证时仅比较两种操作参数对煤粉燃 · 246 ·