COREX CGD豎爐內(nèi)煤氣流分布的數(shù)值模擬

張興勝， 鄒宗樹，周 恒， 王春松， 邢力勇， 羅志國

(1.東北大學(xué) 多金屬共生礦生態(tài)利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819;2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽 110819; 3. 北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)學(xué)院，北京 100083)

為滿足環(huán)境保護(hù)需要及擺脫對(duì)煉焦煤的過分依賴，近年來，COREX、Midrex、HYL、Finex等非高爐煉鐵技術(shù)取得飛速發(fā)展.其中，由奧鋼聯(lián)設(shè)計(jì)的COREX熔融還原煉鐵工藝先后在南非、印度、韓國及中國建廠，率先實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)[1-4].

COREX煉鐵工藝主體由上下兩部分構(gòu)成，包括上部的預(yù)還原豎爐以及下部的熔化氣化爐.類似于高爐的塊狀帶，鐵礦石在豎爐內(nèi)被高溫煤氣還原成具有一定金屬化率的直接還原鐵，然后由豎爐底部排入下部的熔化氣化爐，最終生產(chǎn)出液態(tài)鐵水.豎爐內(nèi)的氣流分布直接決定著煤氣利用率及固體金屬化率.隨著COREX工藝設(shè)計(jì)產(chǎn)能的增加，豎爐平均直徑由C-1000的4.83 m 增至C-3000的8.3 m.然而，隨著豎爐直徑增大，也帶來了相關(guān)生產(chǎn)問題，包括豎爐中心煤氣欠發(fā)展、壓差過大、煤氣利用率低、固體金屬化率低、爐料粘結(jié)等[5-7].為應(yīng)對(duì)上述問題，寶鋼在豎爐內(nèi)引入了Areal Gas Distribution(AGD)技術(shù)，利用爐料下行過程中在AGD梁下產(chǎn)生的煤氣通道，將還原煤氣引入豎爐中心，進(jìn)而改善大型豎爐中心供氣不足問題.雖然AGD梁的引入有效地提高了氣體利用系數(shù)和固體金屬化率，但同時(shí)也帶來了其他生產(chǎn)問題，其中圍管易被粉塵阻塞尤為嚴(yán)重.為應(yīng)對(duì)上述問題，近期，八鋼在豎爐底部安裝了中心供氣裝置Central Gas Distribution Device(CGD)，進(jìn)而提高大型豎爐中心供氣.雖然前人對(duì)高爐及豎爐內(nèi)煤氣分布的相關(guān)研究已廣泛展開[8-11]，但CGD作為一種全新設(shè)計(jì)，關(guān)于CGD豎爐內(nèi)煤氣分布的相關(guān)研究還未見報(bào)道，因此有必要對(duì)CGD豎爐內(nèi)煤氣流分布特性展開研究.

本文建立COREX預(yù)還原豎爐的三維全尺寸數(shù)學(xué)模型，對(duì)比了COREX預(yù)還原豎爐安裝CGD裝置前后爐內(nèi)氣流速度分布、壓差分布及煤氣反竄比例，討論了CGD裝置對(duì)豎爐內(nèi)煤氣流分布的影響.

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 模型假設(shè)

(1) COREX豎爐為典型的氣-固逆流移動(dòng)床，對(duì)比煤氣流速度，爐料移動(dòng)速度可忽略不計(jì)，因此假設(shè)豎爐為固定床；

(2) CO、H2還原鐵礦物反應(yīng)中，氣相為等摩爾反應(yīng)，因此忽略化學(xué)反應(yīng)對(duì)爐內(nèi)氣流分布的影響；

(3) 模型中忽略爐內(nèi)溫度場對(duì)氣流分布的影響.

1.2 控制方程

(1) 質(zhì)量守恒方程

(1)

(2) 動(dòng)量守恒方程

(2)

式中，μ是有效黏度；SV為廣義動(dòng)量源相.

(3) 標(biāo)準(zhǔn)k-ε守恒方程

(3)

(4)

式中，Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；YM為可壓縮湍流的波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；C1ε，C2ε，C3ε為常數(shù)，σk，σε為兩方程的普朗特常數(shù)；Sk，Sε為用戶自定義源相；μt為湍流黏度，如式5所示.

(5)

式中，Cμ為常數(shù).

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型參數(shù)見表1所示.

表1 k-ε模型中的參數(shù)

2 邊界條件及計(jì)算方法

豎爐煤氣入口設(shè)置為壓力入口，圍管入口壓力為330 kPa，DRI下料管及CGD入口壓力為333 kPa.頂部煤氣出口為速度出口，速度大小根據(jù)冶煉強(qiáng)度計(jì)算.熔煉率為150 t/h，礦鐵質(zhì)量比為1.5，豎爐煤氣標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下單耗為800 m3/t ore.無CGD豎爐及CGD豎爐爐型結(jié)構(gòu)及計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示.

圖1 豎爐模型及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Geometry and computational grid of shaft furnaces(a) —無CGD豎爐； (b) —CGD豎爐

爐內(nèi)料面高度設(shè)置為21 m，爐料安息角為31.2°.考慮爐料滾動(dòng)偏析及物料下行過程中存在粉化現(xiàn)象，設(shè)置料面上距離料尖最遠(yuǎn)處爐料粒度及空隙度分別為14 mm和0.44；料尖處爐料粒度及空隙度分別為8 mm和0.3；豎爐底部距布料檔位半徑最遠(yuǎn)處爐料粒度及空隙度分別為12 mm和0.29；豎爐底部與布料檔位對(duì)應(yīng)半徑處爐料的粒度及空隙度分別為6 mm和0.18.爐內(nèi)區(qū)域的物料粒度和床層空隙度在上述邊界下以線性輻射形式的變化給出.模型同時(shí)考慮DRI下料管內(nèi)物料對(duì)煤氣流動(dòng)的影響，由于物料呈自由落體流經(jīng)下料管，管內(nèi)空隙度較大，因而設(shè)定DRI下料管內(nèi)爐料粒徑及空隙度分別為9 mm和0.8.

模型以商業(yè)計(jì)算軟件ANSYS-FLUENT為計(jì)算平臺(tái)，應(yīng)用SIMPLE算法對(duì)氣流速度與壓力進(jìn)行耦合，應(yīng)用一階迎風(fēng)格式對(duì)守恒方程進(jìn)行離散，當(dāng)模型中各變量計(jì)算殘差小于10-4時(shí)認(rèn)為模型計(jì)算收斂.

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

通過對(duì)比寶鋼1# C-3000豎爐圍管與爐頂煤氣出口壓差進(jìn)行模型驗(yàn)證.1# C-3000操作參數(shù)包括：圍管壓力為360 kPa，下料管壓力為365 kPa，熔煉率為218 t/h，礦鐵質(zhì)量比為1.5，煤氣單耗標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下為 1 050 m3/t.表2為上述生產(chǎn)條件下模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比，圖2為模擬得到的壓差云圖.如表2所示，模型計(jì)算結(jié)果為51.8 kPa，實(shí)測值為52.4 kPa，相對(duì)誤差為1.15%.模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合較好，可以用來預(yù)測CGD豎爐內(nèi)部氣流分布特性.

表2 模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

圖2 1# C-3000豎爐壓差分布Fig.2 Pressure drop distribution of 1# C-3000 shaft furnace

3.2 速度分布

圖3 豎爐內(nèi)氣流速度分布Fig.3 Gas velocity distribution of the furnace(a) —無CGD豎爐； (b) —CGD豎爐

在煤氣單耗標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下為800 m3/t ore，熔煉率為150 t/h，礦鐵質(zhì)量比為1.5的條件下，1# C-3000豎爐及CGD豎爐內(nèi)的煤氣流速度分布云圖如圖3所示.如圖3(a)所示，除部分還原煤氣經(jīng)下料管反竄進(jìn)入豎爐，1# C-3000豎爐內(nèi)還原煤氣主要由圍管導(dǎo)入.由于爐料存在偏析，填充床空隙度沿邊壁處較大，中心處較小，因此爐內(nèi)煤氣主要沿爐身邊壁處向爐頂流動(dòng)，豎爐中心煤氣流速度相對(duì)緩慢，發(fā)展不足.如圖3(b)所示，由于CGD裝置的安裝，部分還原煤氣直接經(jīng)CGD進(jìn)入爐內(nèi)，對(duì)比1# C-3000豎爐，爐底部藍(lán)色煤氣低速流動(dòng)區(qū)域有效減小.由圖可知，CGD裝置的安裝，有效減小了COREX豎爐底部煤氣流動(dòng)的滯止區(qū)域，促進(jìn)了豎爐底部氣、固相間的傳熱傳質(zhì)，改善了爐底氣、固相間還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件.但由于CGD入口直徑及入口壓力的限制，CGD入爐煤氣量有限，因此CGD豎爐中心煤氣流分布改善不甚明顯.在實(shí)際生產(chǎn)中需要通過人為增加CGD進(jìn)氣量及調(diào)整布料制度來進(jìn)一步改善豎爐中心煤氣分布.

為了進(jìn)一步明晰CGD裝置對(duì)COREX豎爐內(nèi)煤氣流速度分布的影響，如圖3(b)所示，選取三個(gè)高度5 m(CGD level)、7 m(slot level)、21 m(upper level)水平面上的氣流速度進(jìn)行分析.兩種豎爐內(nèi)CGD level的氣流速度分布如圖4所示.由圖可見，由于CGD裝置的安裝，部分還原煤氣直接由CGD裝置進(jìn)入豎爐，對(duì)比1# C-3000豎爐，CGD豎爐底部的煤氣流速顯著增加，尤其在CGD裝置兩側(cè)徑向3 m處，氣流速度由0.17 m/s增至0.23 m/s，增幅為35.3%，有效地增加了底部的供氣.

圖4 兩種豎爐內(nèi)CGD level的氣流速度分布Fig.4 Gas velocity distribution at CGD level in the furnaces without and with CGD

兩種豎爐內(nèi)slot level的氣流速度分布如圖5所示.由圖可見，由于CGD裝置的安裝，部分還原煤氣直接由CGD進(jìn)入豎爐，在總煤氣量不變的情況下，爐底進(jìn)氣比例增加，圍管進(jìn)氣比例相應(yīng)減小.因此，對(duì)比1# C-3000豎爐，CGD豎爐爐身中心處煤氣流速略大于1# C-3000豎爐爐身處煤氣流速，但CGD豎爐近圍管處氣流速度小于1# C-3000豎爐.CGD豎爐近圍管處氣流速度為2.1 m/s，1# C-3000豎爐近圍管處氣流速度為2.6 m/s.

圖5 兩種豎爐內(nèi)slot level的氣流速度分布Fig.5 Gas velocity distribution at slot level in the furnaces without and with CGD

兩種豎爐內(nèi)upper level的氣流速度分布如圖6所示.由圖可見，雖然CGD裝置的安裝對(duì)COREX豎爐底部煤氣流動(dòng)影響明顯，但由于豎爐冶煉強(qiáng)度相同，煤氣總量相同，因此，兩種豎爐頂部煤氣速度分布基本相同.由于料尖的存在，料尖兩側(cè)氣流速度明顯大于料尖處氣流速度.

圖6 兩種豎爐內(nèi)upper level的氣流速度分布Fig.6 Gas velocity distribution at upper level in the furnaces without and with CGD

圖7 豎爐內(nèi)壓差分布Fig.7 Differential pressure distribution in the furnaces(a) —無CGD豎爐； (b) —CGD豎爐

3.3 壓差分布

圖7為在煤氣單耗標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下為 800 m3/t ore，熔煉率為 150 t/h，礦鐵質(zhì)量比為1.5生產(chǎn)條件下1# C-3000豎爐及CGD豎爐內(nèi)壓差分布云圖，且云圖中的壓差為圍管入口處煤氣壓力與爐頂煤氣出口處壓力差值.由圖可知，相同冶煉條件下，隨著CGD裝置的安裝，相比1# C-3000豎爐，CGD豎爐內(nèi)壓差有所下降，由 35 066 Pa 降至 32 532 Pa.主要原因分析如下：由于CGD裝置的安裝，部分煤氣由CGD裝置直接進(jìn)入爐內(nèi)，在總煤氣量不變的情況下，由爐底進(jìn)入爐內(nèi)的煤氣比例增加，圍管處入爐煤氣比例降低，因此圍管處煤氣至爐頂煤氣出口處壓差降低.豎爐相當(dāng)于高壓操作，有利于爐內(nèi)還原反應(yīng)的進(jìn)行.此外，相比于由圍管進(jìn)入爐內(nèi)的煤氣，爐底煤氣流經(jīng)填充床的路徑更長，在爐內(nèi)的停留時(shí)間也更長，與含鐵礦物接觸得更加充分，也有利于爐內(nèi)還原反應(yīng)及氣、固相間傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行.

3.4 煤氣反竄

安裝CGD裝置的主要目的在于改善大型豎爐中心供氣不足問題.CGD裝置的安裝將增加豎爐中心的煤氣供應(yīng)量，同時(shí)也會(huì)影響煤氣反竄量及圍管內(nèi)煤氣通量.煤氣反竄也是影響豎爐生產(chǎn)的重要因素，有必要對(duì)CGD裝置安裝所引起的煤氣反竄量變化展開研究.

各入口煤氣流量分配比如表3所示.由表可知，CGD豎爐圍管與CGD裝置的進(jìn)氣比例分別為82.61%和12.97%.值得注意的是，隨著CGD裝置的安裝，反竄煤氣量有所降低，由1# C-3000豎爐的17.39%降至CGD豎爐的15.64%.主要原因分析如下：CGD裝置的安裝增加了爐底煤氣供應(yīng)量，降低圍管煤氣入爐比例及爐內(nèi)壓差，進(jìn)而抑制CGD豎爐底部的煤氣反竄.

表3 各入口煤氣流量分配比

4 結(jié) 論

(1) 1# C-3000豎爐內(nèi)煤氣主要由圍管導(dǎo)入，煤氣沿爐身邊壁向爐頂運(yùn)動(dòng)，豎爐中心煤氣流速相對(duì)較慢，發(fā)展不足.CGD裝置的安裝，使部分還原煤氣直接經(jīng)CGD裝置進(jìn)入爐內(nèi)，減小了COREX豎爐底部煤氣流動(dòng)滯止區(qū)域.

(2) CGD裝置的安裝可降低爐內(nèi)壓差.壓差由1# C-3000豎爐的 35 066 Pa 降至CGD豎爐的 32 532 Pa.

(3) CGD豎爐圍管與CGD裝置的進(jìn)氣比例分別為82.61%和12.97%.CGD裝置的安裝抑制了煤氣反竄，反竄煤氣比例由1# C-3000豎爐的17.39%降至CGD豎爐的15.64%.