煤粉燃燒率的數(shù)值模擬研究

宿立偉

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司,北京 100176)

煤粉燃燒率的數(shù)值模擬研究

宿立偉

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司,北京 100176)

噴煤技術(shù)是降低高爐焦比、降低生產(chǎn)成本的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),已經(jīng)在高爐煉鐵領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。提高煤粉在高爐內(nèi)的燃燒率,是降低燃料比非常重要的因素之一。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法,來(lái)研究幾種工況下噴入高爐的煤粉燃燒率,并且分別在不同煤比、不同富氧率、不同粒度、不同灰分、不同揮發(fā)分條件下對(duì)煤粉燃燒率進(jìn)行了比較。

煤粉燃燒率 數(shù)值模擬 煤比 富氧率 粒度 灰分 揮發(fā)分

1 引言

研究清楚煤粉燃燒率的影響因素，可以對(duì)降低高爐燃料比有一定的指導(dǎo)意義。但是研究煤粉燃燒率的有效研究手段并不是很多。雖然可以通過(guò)檢測(cè)煤氣中的煤粉含量來(lái)計(jì)算某一高爐在某一條件下的煤粉燃燒率，但是實(shí)際生產(chǎn)中的高爐很難提供條件研究不同的變量條件下煤粉燃燒率的變化。由于煤粉噴入高爐以后，主要是在風(fēng)口回旋區(qū)進(jìn)行燃燒，所以研究風(fēng)口回旋區(qū)的煤粉燃燒率可以近似等同于高爐內(nèi)煤粉燃燒率，本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)的燃燒率進(jìn)行計(jì)算，研究不同變量對(duì)煤粉燃燒率的影響。

2 物理數(shù)學(xué)模型的建立

由于高爐回旋區(qū)形狀隨操作條件的變化而變化，而且現(xiàn)有的回旋區(qū)的研究結(jié)果中說(shuō)法很多，差異很大，沒(méi)有形成一套系統(tǒng)的研究理論。而我們的研究重點(diǎn)是煤粉在回旋區(qū)內(nèi)的燃燒狀況，所以做如下基本假設(shè)[1][2][3]：

假設(shè)回旋區(qū)是一個(gè)長(zhǎng)方體形狀；

回旋區(qū)中間部分認(rèn)為是空區(qū)，邊緣區(qū)域用多孔介質(zhì)模擬焦炭，認(rèn)為多孔介質(zhì)只起阻力作用，并不參與反應(yīng)。

按照礦焦比及礦石氧含量，計(jì)算出作為還原劑的焦炭質(zhì)量。其余的焦炭認(rèn)為是熱源，按照一定的轉(zhuǎn)換比，將其轉(zhuǎn)化為煤粉。

將煤粉看作離散相，顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)相的影響均未加以考慮。

根據(jù)以上假設(shè)，建立的物理模型及其網(wǎng)格劃分如圖1所示：

采用如下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算：

(1)κ-ε湍流模型；

圖1 回旋區(qū)物理模型及其網(wǎng)格

(2)非預(yù)混燃燒模型；

(3)離散相模型；

(4)P1輻射模型；

(5)能量方程。

表1 計(jì)算用煤粉參數(shù)

表2 煙煤和無(wú)煙煤的成分

3 計(jì)算結(jié)果及分析

表1給出了某噴吹煤種的成分，基于該煤粉條件下，分別計(jì)算煤比為100kg/t·HM、150kg/t·HM和200kg/t·HM時(shí)在不同風(fēng)溫條件下的煤粉燃燒率，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。在風(fēng)溫分別為900℃、1100℃、1250℃時(shí)，在不同富氧率條件下煤粉燃燒率，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，煤比越低煤粉燃燒率越高，風(fēng)溫越高煤粉燃燒率越高，富氧率越高煤粉燃燒率越高，但是提高風(fēng)溫對(duì)煤粉燃燒率的影響程度越來(lái)越小，同時(shí)提高富氧率對(duì)煤粉燃燒率提高的幅度影響也越來(lái)越小，當(dāng)富氧率達(dá)到5%以后，再提高富氧率，煤粉燃燒率不會(huì)有明顯的提高。

表2給了煙煤和無(wú)煙煤的成分，基于這兩個(gè)煤種計(jì)算煤粉燃燒率結(jié)果如圖4所示

從圖4可以看出，煙煤(高揮發(fā)分煤)的燃燒率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)煙煤(低揮發(fā)分煤)的燃燒率，主要是由于進(jìn)入回旋區(qū)以后揮發(fā)分在達(dá)到一定溫度后分離出來(lái)，生成易燃的碳?xì)浠衔?，幾乎完全燃燒，所以煙煤的燃燒率要高于無(wú)煙煤。

在表1的煤種條件下，計(jì)算不同粒度對(duì)煤粉燃燒率的影響，計(jì)算煤粉粒度分別為150目(大約為106μm)、200目(大約為75μm)和250目(大約為58μm)的燃燒率，結(jié)果如圖5所示。通過(guò)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，粒度越小，煤粉燃燒率越高，但是對(duì)煤粉燃燒率的影響程度越來(lái)越小。

圖2 風(fēng)溫對(duì)煤粉燃燒率的影響

在表1的煤種條件下，計(jì)算不同灰分對(duì)煤粉燃燒率的影響，計(jì)算煤粉灰分分別為9%，10%和11%情況下的燃燒率，結(jié)果如圖6所示。通過(guò)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，灰分越大煤粉燃燒率越低，而且對(duì)煤粉燃燒率的影響程度并不隨著灰分的增加而降低。

圖3 富氧率對(duì)煤粉燃燒率的影響

圖4 揮發(fā)分對(duì)煤粉燃燒率的影響

4 結(jié)語(yǔ)

(1)煤比越低煤粉燃燒率越高，風(fēng)溫越高煤粉燃燒率越高。

(2)富氧率越高煤粉燃燒率越高，但是風(fēng)溫提高對(duì)煤粉燃燒率的影響程度越來(lái)越小。

(3)煙煤(高揮發(fā)分煤)的燃燒率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)煙煤(低揮發(fā)分煤)的燃燒率。

(4)粒度越小，煤粉燃燒率越高，但是對(duì)煤粉燃燒率的影響程度越來(lái)越小。

圖5 粒度對(duì)煤粉燃燒率的影響

圖6 灰分對(duì)煤粉燃燒率的影響

(5)灰分越大煤粉燃燒率越低，而且對(duì)煤粉燃燒率的影響程度并不隨著灰分的增加而降低。

[1]福武剛.高爐回旋區(qū)和爐缸工作文集.冶金工業(yè)出版社.

[2]S.RAJNEESH, S.SARKAR etal. Prediction of Raceway Size in Blast Furnace from Two Dimensional Experimental Correlation.ISIJ International, vol.44,2004.

[3]T.Suzuki, T.Uehara and H.Akedo, Combustion characteristics of pulverized coal for blast furnace coal injection, Ironmaking Conference Proceedings,Vol.49,1990.