COREX預(yù)還原豎爐煤氣停留時間分布的數(shù)值模擬

張麗娟，周 恒，張 濤，游 陽，羅志國，鄒宗樹

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819;2.寶山鋼鐵股份有限公司人才開發(fā)院，上海 200941)

COREX熔融還原煉鐵工藝是奧鋼聯(lián)開發(fā)的一種用煤和球團(tuán)(塊礦)生產(chǎn)鐵水的非高爐煉鐵工藝，具有非焦煤冶煉，環(huán)境友好的特點［1，2］.與傳統(tǒng)高爐相比，COREX預(yù)還原豎爐鼓風(fēng)條件、布料形式、爐型結(jié)構(gòu)等不盡相同，所以爐內(nèi)煤氣停留時間分布必然呈現(xiàn)出與高爐不同的特征.雖然高爐內(nèi)煤氣流動及停留時間分布研究較多［3～6］，但關(guān)于COREX預(yù)還原豎爐的研究較少.寶鋼引進(jìn)的COREX－3000預(yù)還原豎爐的平均直徑由COREX－2000的6.67 m增加至8.2 m，反應(yīng)器尺寸的加大使?fàn)t內(nèi)煤氣流動愈偏離理想流動狀態(tài).2#COREX－3000預(yù)還原豎爐在原1#豎爐基礎(chǔ)上安裝了AGD梁，利用爐料下行運動過程中在梁下方自發(fā)形成的無爐料煤氣通道，將煤氣導(dǎo)入豎爐中心.AGD梁的安裝進(jìn)一步改變了煤氣的初始分布，直接影響了爐內(nèi)煤氣停留時間分布.因此，有必要對COREX預(yù)還原豎爐中煤氣停留時間分布進(jìn)行研究.

本文建立三維、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)下還原煤氣在COREX預(yù)還原豎爐內(nèi)停留時間分布的數(shù)學(xué)模型，考察AGD梁對爐內(nèi)RTD曲線的影響，并研究不同熔煉率下COREX預(yù)還原豎爐內(nèi)的RTD變化情況，同時給出不同條件下爐內(nèi)流動特性參數(shù)變化，為指導(dǎo)COREX豎爐實際生產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 控制方程

COREX預(yù)還原豎爐為氣－固逆流反應(yīng)器，相對于氣體流速而言，固體爐料的下降速度很小，故可將爐內(nèi)爐料近似為固定床，并且忽略氣－固化學(xué)反應(yīng)對氣體流場的影響.描述煤氣流動的基本方程包括連續(xù)性方程、動量方程、湍流模型及濃度方程.

1.2 邊界條件及算法

COREX熔化氣化爐產(chǎn)生的還原煤氣經(jīng)冷卻、除塵后通過豎爐圍管導(dǎo)入爐內(nèi)，但部分高溫煤氣通過氣化爐穹頂?shù)腄RI螺旋下降管反竄進(jìn)入豎爐，形成反竄煤氣.因此，將預(yù)還原豎爐的煤氣入口設(shè)為壓力入口，其中圍管煤氣入口表壓為360 kPa，DRI下降管煤氣入口表壓為365 kPa.豎爐頂部煤氣出口為速度出口.COREX預(yù)還原豎爐爐型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分如圖1所示，兩者最大區(qū)別是圍管區(qū)AGD梁的安裝以及頂部煤氣出口的改變.方程求解借助商業(yè)軟件FLUENT，壓力－速度耦合采用SIMPLE算法，控制方程的離散采用一階迎風(fēng)模式，收斂標(biāo)準(zhǔn)殘差小于10－4.

1.3 RTD曲線分析方法

COREX預(yù)還原豎爐內(nèi)還原煤氣的流動模式為偏離活塞流及全混流這兩種流動狀態(tài)的非理想流動狀態(tài)，其中，1#COREX預(yù)還原豎爐頂部煤氣出口為單一出口，因此，COREX預(yù)還原豎爐RTD曲線分析模型可借鑒中間包中流體流動特性分析方法［7～10］，本文采用經(jīng)典組合方法.

2#COREX－3000預(yù)還原豎爐在1#爐基礎(chǔ)上進(jìn)行了改裝，其頂部煤氣出口為兩個，因此2#COREX預(yù)還原豎爐流體流動特性描述方法借鑒多流中間包總體RTD曲線分析方法［11，12］.

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 AGD梁對RTD曲線的影響

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of the grid

圖2 1#及2#COREX預(yù)還原豎爐停留時間分布密度函數(shù)Fig.2 Density of residence time distribution of 1#and 2#COREX shaft furnace

圖2為COREX－3000預(yù)還原豎爐頂煤氣(標(biāo)準(zhǔn)態(tài))單耗1 050 m3/t，熔煉率150 t/h條件下，安裝AGD前后，還原煤氣停留時間分布密度函數(shù).由圖2可知，豎爐內(nèi)的煤氣流型為活塞流、全混流和死區(qū)的組合流動，且出現(xiàn)兩個示蹤劑濃度的峰值，分別為圍管煤氣和反竄煤氣內(nèi)的示蹤劑到達(dá)監(jiān)測面所致.隨著AGD梁的安裝，第一峰高度增高，分布變窄，第二峰高度降低且分布變寬，曲線整體寬度變寬.

其中，第二峰為豎爐底部下料管反竄煤氣在檢測面的信息，其主流微元通過流體系統(tǒng)的時間增長.2#COREX預(yù)還原豎爐AGD梁的安裝能抑制底部下料管煤氣反竄比例［13，14］，在頂部煤氣流量不變條件下，其底部反竄煤氣入口速度將變小;因此，第二峰出峰時間較1#COREX預(yù)還原豎爐長.2#COREX預(yù)還原豎爐煤氣停留時間分布描述方法借鑒多流中間包總體RTD曲線分析方法.由圖可知，2#COREX豎爐總體RTD曲線和各出口RTD曲線形態(tài)相差較小，主要原因是2#COREX豎爐頂部兩煤氣出口為對稱布置，檢測得到的微元停留時間分布相一致.

表1為COREX－3000預(yù)還原豎爐加裝AGD梁前后爐內(nèi)流動特征參數(shù).由表可知，豎爐安裝AGD梁后其煤氣平均停留時間減小，但減小幅度較小.究其原因是，AGD梁的安裝使?fàn)t內(nèi)圍管煤氣比例增大，圍管水平煤氣平均速度增大，因此第一峰的出峰時間較早.但整體考慮豎爐底部反竄煤氣影響，其煤氣平均停留時間減小幅度較小.從表還可以看出，隨著AGD梁的安裝，無量綱方差σ2變大.無量綱方差是用于度量隨機(jī)變量與均值的偏離程度，它與流型一一對應(yīng)，在活塞流的情況下，方差最小;而在全混流的情況下，方差最大.因此，COREX預(yù)還原豎爐內(nèi)的煤氣流動為非理想流動，且隨著AGD梁的安裝，無量綱方差變大，與活塞流的偏差越大.主要原因是圍管處還原煤氣可通過AGD梁下方煤氣通道進(jìn)入豎爐中心，增加了豎爐內(nèi)煤氣的反混現(xiàn)象，從而使流型偏離理想活塞流.2#COREX豎爐各出口表征的爐內(nèi)流動特征參數(shù)與總體方法得出的流動特征參數(shù)相差不大，這主要是由于豎爐頂部兩煤氣出口的對稱布置所致.

表1 AGD梁對爐內(nèi)流動特征參數(shù)的影響Table 1 Effect of AGD beams on the flow characteristics parameters in furnace

2.2 頂煤氣單耗對RTD的影響

圖3為不同熔煉率下COREX預(yù)還原豎爐煤氣停留時間分布密度函數(shù).圖4、圖5分別為平均停留時間、無量綱方差隨熔煉率的變化圖.從圖中可以看出隨著熔煉率的升高，峰值高度逐漸升高，平均停留時間逐漸降低，無量綱方差逐漸增大.導(dǎo)致上述結(jié)果原因有:一是在COREX預(yù)還原豎爐內(nèi)還原煤氣主流微元在爐內(nèi)滯留時間相應(yīng)減小，所以平均停留時間減小;二是隨著熔煉率的升高，煤氣入口氣量增大，煤氣出口的動量增大，爐內(nèi)煤氣的混合程度變大，流型愈偏離理想活塞流，所以無量綱方差逐漸增大.

圖6為COREX預(yù)還原豎爐內(nèi)死區(qū)體積分?jǐn)?shù)隨熔煉率的變化圖.死區(qū)指的是在此區(qū)域內(nèi)的流體運動得相當(dāng)慢，結(jié)果流體在容器中停留了相當(dāng)長的時間.為描述不同熔煉率下爐內(nèi)死區(qū)體積分?jǐn)?shù)，本文以150 t/h熔煉率對應(yīng)的平均停留時間的兩倍為基準(zhǔn).由圖可知，隨著熔煉率的升高，爐內(nèi)死區(qū)體積分?jǐn)?shù)逐漸降低.其中，1#COREX預(yù)還原豎爐降低幅度較大，當(dāng)熔煉率從150 t/h提升到180 t/h時，爐內(nèi)死區(qū)體積分?jǐn)?shù)從10.9%降到3.48%，降幅為68.1%.2#COREX預(yù)還原豎爐死區(qū)體積分?jǐn)?shù)降幅較小，僅為15.52%.主要原因是由于2#COREX預(yù)還原豎爐AGD梁的安裝，改變了煤氣初始分布，大部分還原煤氣通過AGD梁下方通道進(jìn)入豎爐.增大熔煉率時，導(dǎo)氣槽出口還原煤氣速度增量較1#COREX預(yù)還原豎爐低，因此對豎爐下部死區(qū)體積影響較小，COREX豎爐死區(qū)體積分?jǐn)?shù)降幅較小.

3 結(jié)論

(1)基于中間包流體流動特性經(jīng)典組合方法分析得到1#COREX預(yù)還原豎爐的RTD分布，并借鑒多流中間包總體分析法得到2#COREX預(yù)還原豎爐內(nèi)的流動特性參數(shù).

(2)隨著COREX－3000預(yù)還原豎爐內(nèi)AGD梁的安裝，爐內(nèi)煤氣平均停留時間變小，停留時間分布密度函數(shù)變寬，無量綱方差變大，流型偏離理想活塞流.同時，AGD梁的安裝，增大了爐內(nèi)死區(qū)體積分?jǐn)?shù).

圖3 不同熔煉率下停留時間分布密度函數(shù)Fig.3 Density of residence time distribution with different melting rate

圖4 不同熔煉率下平均停留時間分布Fig.4 Average residence time with different melting rate

(3)隨著COREX預(yù)還原豎爐熔煉率的增大，煤氣平均停留時間減小，無量綱方差變大.當(dāng)熔煉率從150 t/h增長到180 t/h時，爐內(nèi)死區(qū)體積分?jǐn)?shù)降低，其中1#COREX豎爐降幅為68.1%，2#COREX豎爐降幅僅為15.52%.

圖5 不同熔煉率下無量綱方差分布Fig.5 Variance of residence time distribution

圖6 不同熔煉率下死區(qū)體積分?jǐn)?shù)Fig.6 Volume fraction of dead zone with different melting rate

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