COREX熔化氣化爐布料模式對煤氣流分布的影響

李曉清，李海峰，羅志國

(1.寶鋼股份中厚板分公司 煉鐵廠，上海 200949;2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

COREX是奧鋼聯(lián)開發(fā)的一種用煤和球團(塊礦)生產(chǎn)鐵水的煉鐵新工藝［1～2］.COREX 熔融還原裝置主體分為上下兩部分，上部的預還原豎爐和下部的熔化氣化爐.其中COREX熔化氣化爐采用的布料機構為萬向節(jié)布料器和DRI布料器混合布料模式，可實現(xiàn)定點、單環(huán)、多環(huán)、扇形等多種布料方式.通過不同的布料模式可形成不同的料面形狀以及不同的料床結構.

COREX熔化氣化爐爐內(nèi)的煤氣流分布從形成到排出爐外經(jīng)過了兩次分布.在風口回旋區(qū)內(nèi)，由風口鼓入的氧氣與半焦燃燒生成高溫氣體，形成了氣化爐爐內(nèi)煤氣流的初始分布;煤氣流經(jīng)過料床直至排出爐外為其第二次分布，料床內(nèi)爐料構成的空隙度分布決定煤氣流的二次分布，而料床的空隙度由爐料的布料模式及爐料運動決定.本文根據(jù)COREX －3000布料模式［3～4］和借鑒高爐布料研究方法［5～7］，對不同布料模式下可能形成的料面形狀及料床結構進行分析，本文研究的布料模式分為兩種，即單環(huán)布料、多環(huán)布料.其中，單環(huán)布料是最為簡單的一種布料方式，爐內(nèi)爐料的偏析程度高，能清晰地考察布料檔位對料床內(nèi)煤氣流分布的影響;而在實際生產(chǎn)中，大都采用多環(huán)布料模式，這種布料模式可以減少布料過程粒度偏析對煤氣流分布的影響，促使煤氣流均勻分布，以達到提高煤氣利用率的目標.

本文首先建立了氣化爐內(nèi)煤氣流分布的二維數(shù)學模型，先后對單環(huán)布料條件下檔位分別為0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m 的布料模式下和4種現(xiàn)場常用的多環(huán)布料模式下的煤氣流分布狀況進行了數(shù)值模擬，獲得了氣化爐內(nèi)不同布料模式下的煤氣壓差和煤氣流的變化情況，通過模擬計算獲得的非均勻床層中氣體流動規(guī)律的認識對COREX氣化爐工藝有借鑒意義.

1 數(shù)學模型建立

1.1 基本控制方程

在建立模型過程中，為減少模型復雜性，作了一些簡化和假設，主要包括以下內(nèi)容.

(1)認為爐內(nèi)化學反應狀態(tài)已達到穩(wěn)態(tài);

(2)風口回旋區(qū)內(nèi)只有氣體流動;

(3)填充料床、軟熔帶區(qū)及半焦床區(qū)等各區(qū)域間的分界線明確，數(shù)據(jù)均是由物理模擬［8］推導而來的.

連續(xù)性方程

式中，ρ是密度;t是時間;v?是速度矢量;Sm為質量源相.

動量守恒方程

式中，μ是黏性系數(shù);Sv是動量守恒方程的廣義源項.

湍流方程

式中，Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動能;YM為可壓縮湍流的波動膨脹對總耗散率的貢獻;C1ε，C2ε，C3e為常數(shù)，σk，σε分別為 k，ε 的湍流普朗特常數(shù);Sk，Sε為用戶自定義源相.

本模擬研究使用Ergun方程［9］來推導多孔介質中氣流的黏性和慣性阻力損失系數(shù).

當模擬充滿介質的層流流動時，上面方程中的第二項可能是個小量，從而得到Blake－Kozeny方程:

式中，μ是黏性系數(shù);Dp是平均粒子直徑;ε為空隙度.

每一方向上的黏性阻力損失系數(shù)和慣性阻力損失系數(shù)為:

空隙度不同，黏性阻力損失以及慣性阻力損失均不同，根據(jù)(7)和(8)可以計算不同區(qū)域的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，該計算由UDF(User Defined Function)來實現(xiàn).

圖1 熔化氣化爐二維數(shù)學模型區(qū)域劃分示意圖Fig.1 Zone division based on Melting gasifier two－dimensional mathematical model

通過以上控制方程和假設建立了氣化爐內(nèi)煤氣流分布的二維數(shù)學模型，考察不同料面形狀下的煤氣壓差和煤氣流的變化情況.圖1為某檔位下的區(qū)域劃分示意圖，根據(jù)對稱性，只考慮半周區(qū)域.計算區(qū)域主要分為自由空間區(qū)、填充區(qū)、軟熔帶區(qū)、半焦區(qū)、風口區(qū)、死料柱區(qū)、渣鐵區(qū)，均按多孔介質處理.其中半焦床、軟熔帶、風口回旋區(qū)大小和高度以本實驗室所進行的COREX氣化爐的熱 態(tài) 試 驗 為 依 據(jù)［8，10］.出 口 壓 力 設 置 為0.45 MPa，模擬未考慮爐內(nèi)反應，只考慮入口氣體速度、成分等條件.

1.2 數(shù)學模型邊界條件

考慮到爐料散落到料面后，較大顆粒的爐料更易滾動，導致料尖處爐料粒度最小，故假定爐料在料面處的粒度分布反比于其料尖高度.隨著爐料的下行，由于爐料的還原和粉化導致其粒度逐漸降低，故假定料面上距離料尖最遠處的料堆空隙度最大為0.6;而料尖處的爐料空隙度為0.48;且隨著爐料的下行，空隙度逐漸減小，最小值為0.43;軟熔帶處空隙度最小為0.3;半焦區(qū)內(nèi)僅存在半焦固體，但存在液體滴落，故空隙度比軟熔帶大比填充區(qū)小，設為0.41;風口區(qū)、自由空間區(qū)和死料柱空隙度分布分別為1.0、0.97、0.25.

(1)單環(huán)布料條件下的料床空隙度分布

圖2 單環(huán)布料模式下的料面形狀和料床空隙度分布Fig.2 Burden surface shape and voidage under different modes for the single ring

根據(jù)本文假設的料床空隙度在徑向上分布遵循線性變化的規(guī)律，計算獲得不同單環(huán)布料模式下爐內(nèi)料面形狀和各區(qū)域料床空隙度分布圖，如圖2所示，可見隨著布料檔位的外移，落點位置處爐料粒徑較小，而遠離落點位置處爐料粒徑逐漸增加，爐內(nèi)最終形成料床空隙度在徑向上的不同分布，且隨著爐料下行及熔化，造成氣化爐下部的空隙度顯著低于氣化爐上部，爐內(nèi)最終造成爐料空隙度在軸向上的不同分布.

(2)多環(huán)布料條件下的料床空隙度分布

COREX－3000氣化爐所采用過的典型布料模式如表1所示，表內(nèi)數(shù)據(jù)為各檔位上的布料高度.根據(jù)表1的布料高度計算獲得了不同布料模式下爐內(nèi)料面形狀和各區(qū)域料床空隙度分布，如圖3所示，可見爐內(nèi)料床空隙度在徑向的分布隨著布料檔位的變化而變化，且隨著爐料下行及熔化，造成氣化爐下部的空隙度顯著低于氣化爐上部，最終造成爐內(nèi)料床空隙度在軸向上的不同分布.與圖2相比可知，A，B，C，D 4種不同多環(huán)布料模式下，料面爐料偏析程度與單環(huán)布料模式相比有所降低.

表1 現(xiàn)場常用的布料模式下各布料檔位的布料高度Table.1 The burden height under different radius of the four commonly used modes in the plant

圖3 不同多環(huán)布料模式下的爐內(nèi)料面形狀和料床空隙度分布圖Fig.3 Burden surface shape and voidage under different modes for the multiple rings

2 結果分析與討論

2.1 單環(huán)布料煤氣流分布結果

(1)氣體壓差分布

根據(jù)本文建立的數(shù)學模型獲得了單環(huán)布料模式下爐內(nèi)壓差分布狀況，圖4列出了部分單環(huán)布料模式下的結果.圖5為氣化爐內(nèi)整體壓差隨布料檔位的變化關系圖.由圖5可知，隨著布料檔位外移，整體壓差升高.當布料檔位小于2.0 m時，整體壓差隨布料檔位外移的增加幅度約為1.5 kPa/m;布料檔位從2.0 m到2.5 m時，整體壓差隨布料檔位的繼續(xù)外移增加幅度變緩，其增幅為1.0 kPa/m;而布料檔位在2.5 m到4.0 m之間時，整體壓差增幅不大;當布料檔位超過4.0 m小于4.5 m，整體壓差隨布料檔位的繼續(xù)外移開始減少，其減少幅度為1.0 kPa/m;超過4.5 m檔位時，整體壓差減小幅度增加，變?yōu)?.5 kPa/m.

上述現(xiàn)象的原因可解釋為:眾所周知，氣體經(jīng)過空隙度小的料床受到的阻力較大.由圖2可知，隨著布料檔位外移，料床空隙度最小區(qū)域先增大后減小，進而決定著還原煤氣進入料柱的阻力先增加后減小，即整體壓差出現(xiàn)了如圖5所示的變化趨勢.

圖4 不同單環(huán)布料模式下爐內(nèi)壓力場分布Fig.4 Distribution of the pressure fields under different modes for the single ring

圖5 不同單環(huán)布料模式下氣體整體壓差分布圖Fig.5 Distribution of the pressure difference under different modes for the single ring

(2)煤氣流場分布

根據(jù)本文建立的數(shù)學模型獲得了單環(huán)布料模式下煤氣速度場分布云圖，圖6列出了部分單環(huán)布料模式下的模擬結果.由圖6可知，由回旋區(qū)產(chǎn)生的高溫煤氣先經(jīng)過半焦床進行一次分配.由圖中可以清晰看到，氣體在經(jīng)過軟熔帶時速度變化較大，但因氣化爐為混合布料，不存在“焦窗”，故在軟熔帶并沒有諸如高爐那樣的“二次分布”［9］.氣體通過軟熔帶后，沿著空隙度較大的地方流動，在各布料檔位下，料尖所在垂直高度方向上煤氣流速較低，尤其在料尖處煤氣流速顯著降低.這是因布料過程的空隙度偏析現(xiàn)象導致料尖處爐料空隙度較低所致.隨布料檔位外移，中心爐料空隙度逐漸增大，中心煤氣流逐漸發(fā)展.

在氣化爐的不同高度上，布料檔位在0.5～2.0 m與4.0～5.0 m之間時，煤氣流速均勻程度相差較大，即煤氣流偏析程度高.綜合對比可知，布料檔位為2.5～3.5 m時，爐內(nèi)煤氣流偏析程度最低.

2.2 多環(huán)布料煤氣流分布結果

(1)氣體壓差分布

根據(jù)本文建立的數(shù)學模型獲得了多環(huán)布料模式下爐內(nèi)壓差分布狀況，如圖7所示.由圖可知，現(xiàn)場常用的4種布料模式下，氣體壓差變化相差不大.與單環(huán)布料的結果圖4相比可知，多環(huán)布料的壓差在軸向上的分布更均勻，在填充床區(qū)壓差等值線基本上成水平分布，而單環(huán)布料呈斜線分布，這主要是由于徑向上的空隙度差異造成的，可見多環(huán)布料減少了物料的偏析分布.

(2)煤氣流場分布

根據(jù)本文建立的數(shù)學模型獲得了多環(huán)布料模式下氣化爐內(nèi)煤氣流速的分布，如圖8所示.由圖可知，4種布料模式下，料尖處仍存在煤氣流速極小區(qū)域，但程度明顯小于單環(huán)布料結果;4種布料模式下的在同一高度處徑向速度分布變化與單環(huán)布料模擬結果在徑向上的速度變化相比，多環(huán)布料更均勻，這就意味著多環(huán)布料比單環(huán)布料的煤氣分配合理.從速度云圖上也可以看出，氣體首先經(jīng)過半焦床區(qū)，速度變化較為平緩，而在穿過軟熔帶區(qū)時速度變化較大，這是由于軟熔帶區(qū)比其他區(qū)域的空隙度小，即氣體阻力較大造成的.氣體繼續(xù)向上運動，經(jīng)過填充床區(qū)，因在此區(qū)域內(nèi)同一高度上爐料空隙度沿徑向的分布不同，而且氣體總是會趨向于向阻力較小的方向流動，最終導致由軟熔帶上沿水平方向均勻向上的氣體的流線方向在填充床內(nèi)發(fā)生偏轉，開始了爐內(nèi)煤氣的二次分布情況.

圖8 不同多環(huán)布料模式下的煤氣速度場分布Fig.8 Distribution of the velocity fields under different modes for the multiple rings

3 結論

采用二維氣化爐數(shù)學模型，以Fluent軟件為載體，采用多孔介質模型描述了不同布料模式下的料床結構內(nèi)的氣體流動情況，獲得了氣化爐內(nèi)煤氣的速度場和壓力場.通過模擬計算獲得的非均勻床層中氣體流動規(guī)律對COREX氣化爐工藝指導調(diào)節(jié)煤氣流分布有借鑒意義.結果如下:

(1)根據(jù)本文假設條件計算的氣化爐內(nèi)料床空隙度隨布料檔位的變化規(guī)律，可知爐內(nèi)的氣體壓差隨著布料檔位的外移呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，拐點出現(xiàn)在3.0 m布料檔位.

(2)爐料布料方式對煤氣流有再分配的作用，煤氣流偏析程度隨著布料檔位呈現(xiàn)出較大的差異，其中料堆尖處煤氣流速很低，在布料檔位為2.5～4.0 m之間時煤氣流偏析程度最小.因此，氣化爐單環(huán)布料時，較為適宜的布料檔位為2.5～3.5 m，不宜低于2.0 m和超過4.0 m.

(3)獲得了現(xiàn)場常用的多環(huán)布料模式下的煤氣流場，可知多環(huán)布料比單環(huán)布料更均勻，有利于煤氣流的均分分布，能獲得較高的煤氣利用率.

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