高爐料面結(jié)構(gòu)對(duì)煤氣流分布影響的模擬

趙志堅(jiān)，佘雪峰，趙奕喆，劉燕軍，王艾軍，李麗紅，薛慶國(guó)

（1.北京科技大學(xué) 鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.德龍鋼鐵有限公司煉鐵廠，河北 邢臺(tái) 054009）

高爐冶煉是一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程，爐料自上而下降落，與自下而上的煤氣流相遇接觸，并發(fā)生著復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng).因此，高爐煤氣分布的合理與否是影響高爐順行、高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及高爐長(zhǎng)壽的關(guān)鍵因素［1-3］.長(zhǎng)期的高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，作為上部調(diào)節(jié)手段的裝料制度對(duì)高爐煤氣流分布具有重要作用.上部布料制度的調(diào)整會(huì)引起料面形狀、礦焦空隙度的變化［4］，改變煤氣流在塊狀帶的分布，影響塊狀帶爐料的預(yù)熱、還原，以及軟熔帶情況，最終保證高爐的長(zhǎng)壽及穩(wěn)定順行.合理的高爐料面不僅能夠促進(jìn)煤氣流分布良好，還能提高煤氣利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的.

但由于高爐的封閉性和內(nèi)部爐況的復(fù)雜性，無(wú)法直觀地獲取高爐實(shí)際運(yùn)行狀況，這對(duì)研究高爐煤氣流的分布帶來(lái)了極大的困難.為了解決這類(lèi)難題，冶金工作者們開(kāi)發(fā)了多種數(shù)學(xué)模型［5-11］.與工業(yè)試驗(yàn)和半工業(yè)試驗(yàn)相比，高爐數(shù)學(xué)模型實(shí)施起來(lái)相對(duì)容易，耗費(fèi)的人力、物力成本較低，并能得到高爐內(nèi)部現(xiàn)象的細(xì)節(jié)性描述，有利于高爐的生產(chǎn)控制.當(dāng)前已有煉鐵學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量詳細(xì)的研究.氣體阻力模型［7］的計(jì)算結(jié)果表明，軟熔層、礦石層及焦炭層三者之間的透氣性之比為1∶4∶52，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了軟熔層和礦石層對(duì)煤氣運(yùn)行阻力的重要影響.陳黔湘等［8］通過(guò)改變布料矩陣的溜槽角度研究其對(duì)料面形狀的影響，得到了布料矩陣的變化對(duì)高爐料面形狀的影響規(guī)律.李壯年等［9］通過(guò)研究“平臺(tái)＋漏斗”和“中心加焦”兩種布料模式下布料參數(shù)調(diào)整方式與煤氣流參數(shù)的關(guān)系，得出了大型高爐煤氣流控制方面的操作要點(diǎn).高攀［10］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)高爐內(nèi)部料層進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，分別計(jì)算了二維和三維高爐的煤氣流動(dòng)情況和煤氣停留時(shí)間.黃建波等［11］通過(guò)二維數(shù)值模擬分析了寶鋼2號(hào)高爐“平臺(tái)＋漏斗”和“中心加焦”兩種布料模式對(duì)爐料透氣性、爐內(nèi)壓差的影響.為了做出更詳細(xì)的定量分析，在之前學(xué)者研究的基礎(chǔ)上［7-14］，本文中通過(guò)建立三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)高爐在不同料面結(jié)構(gòu)下煤氣流的分布特征進(jìn)行模擬研究，分析不同料面結(jié)構(gòu)下高爐內(nèi)煤氣流的分布規(guī)律，以期為高爐實(shí)際生產(chǎn)操作提供理論依據(jù)及參考.

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 模型的基本假設(shè)

在高爐冶煉過(guò)程中，爐內(nèi)存在固相、液相、氣相及粉相，還涉及流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、多項(xiàng)化學(xué)反應(yīng)等.因此，在構(gòu)建模型時(shí)，會(huì)通過(guò)一些合理的假設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)化.這樣既能保證計(jì)算結(jié)果反應(yīng)實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，又能減少計(jì)算工作量和提高工作效率.本模型的主要假設(shè)條件如下：①高爐內(nèi)部煤氣流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)；②忽略化學(xué)反應(yīng)和熱量傳輸對(duì)煤氣流的影響；③忽略料層的下降運(yùn)動(dòng)對(duì)煤氣流分布的影響；④不考慮礦石和焦炭體積變化的影響；⑤各風(fēng)口面積及進(jìn)氣量均相同；⑥忽略爐料下降過(guò)程中料面形狀的變化.

1.2 控制方程

模型涉及的控制方程有：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程、示蹤劑組分傳輸方程及厄根方程.

連續(xù)性方程：

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；t為時(shí)間，s；為空氣矢量速度，m／s；Sm為廣義質(zhì)量源項(xiàng)，該模型中值為0.

動(dòng)量方程：

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；t為時(shí)間，s；為空氣矢量速度，m／s；μ為廣義黏度，Pa·s；Sv為廣義質(zhì)量源項(xiàng)，該模型中值為0.

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程：

式中：μt為湍流黏度系數(shù)，Pa·s；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，kg／（m·s3）；Gb為浮力影響引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，kg／（m·s3）；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，kg／（m·s3）；σk為k對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，取1；σε為ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，取1.3；C1ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取1.44；C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取為1.92；C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.09.

Ergun方程：

2 模擬條件

本文中的三維物理模型根據(jù)國(guó)內(nèi)某煉鐵廠1 080 m3高爐的設(shè)計(jì)參數(shù)建立，物理模型的幾何尺寸及高爐的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.通過(guò)SolidWorks進(jìn)行三維建模后，采用ANSYS ICEM CFD進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分（見(jiàn)圖1），最后采用FLUENT軟件結(jié)合用戶自編程軟件Visual Studio進(jìn)行模擬計(jì)算.

圖1 三維高爐網(wǎng)格劃分Fig.1 Three-dimensional blast furnace meshing

表1 高爐的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of blast furnace

在開(kāi)始計(jì)算前，需要對(duì)高爐內(nèi)不同空間區(qū)域的空隙度分布、黏性阻力和慣性阻為進(jìn)行設(shè)定，此處采用用戶自編程C＋＋軟件進(jìn)行編程帶入.計(jì)算的邊界條件如下：①速度入口，設(shè)置入口湍流強(qiáng)度和水力直徑，湍流強(qiáng)度取5%，水力直徑取風(fēng)口直徑；②壓力出口，出口處指定壓強(qiáng)為表壓，大小200 kPa，設(shè)置出口湍流強(qiáng)度和水力直徑；③壁面處采用無(wú)滑移邊界條件；④其他條件使用FLUENT默認(rèn)設(shè)置.

圖2為4種不同料面結(jié)構(gòu)的研究方案及高爐中部分礦焦料層交替分布的示意圖.

圖2 不同料面傾角時(shí)爐料的分布情況Fig.2 Distribution of burdens with different dip angles

由于高爐內(nèi)部爐料堆積的復(fù)雜性，焦炭層和礦石層的空隙度可由經(jīng)驗(yàn)公式（6）和（7）來(lái)確定：

在模型計(jì)算中，入爐焦炭的平均粒度dc取0.05 m，入爐礦石的平均粒度dk取0.035 m，可計(jì)算出礦石的空隙度為0.48，焦炭的空隙度為0.525.

3 結(jié)果與討論

3.1 高爐典形截面位置煤氣流分布

選取高爐風(fēng)口截面做速度云圖，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同料面結(jié)構(gòu)下的風(fēng)口截面速度基本完全一致，因此選取“V”形料面傾角為30°的風(fēng)口截面速度分布云圖為代表進(jìn)行說(shuō)明.從圖3（a）中可以看出，煤氣速度變化的跨度很大，在高爐內(nèi)部中心區(qū)域煤氣速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)口處的煤氣速度.從圖3（b）中可看出：風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)的速度并非分布均勻，而是呈現(xiàn)出了一定的梯度特征.越接近高爐中心，煤氣速度越低，速度梯度主要集中體現(xiàn)在回旋區(qū)內(nèi)部.

圖3 “V”形料面傾角為30°的風(fēng)口截面速度分布云圖Fig.3 The velocity distribution nephogram of the air outlet section with the inclination angle of 30°of the“V”material surface

圖4為“V”形料面傾角為30°和“平臺(tái)＋漏斗”形料面高爐內(nèi)煤氣流速度矢量的對(duì)比圖，圖5為“V”形料面傾角為30°和“平臺(tái)＋漏斗”形料面高爐內(nèi)煤氣流動(dòng)的跡線圖.從圖4和圖5中可以看出，煤氣流經(jīng)滴落帶后繼續(xù)上升，受到了軟熔帶的阻擋，而軟熔帶內(nèi)焦炭保持層狀橫向分布，這導(dǎo)致煤氣產(chǎn)生通過(guò)焦窗的橫向運(yùn)動(dòng).但軟熔帶軟熔層的透氣性極差，且軟熔帶中的焦窗對(duì)煤氣的流動(dòng)有一定導(dǎo)向作用.通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：在“V”形料面的條件下，煤氣流集中在高爐的中心，且在高爐爐喉處尤為明顯； 而“平臺(tái)＋漏斗”形料面在發(fā)展中心氣流的同時(shí)，邊緣氣流的速度分布比“V”形料面的速度分布更加均勻.

圖4 高爐內(nèi)煤氣流速度矢量圖Fig.4 Vector diagram of gas flow velocity in blast furnace

圖5 煤氣流流動(dòng)跡線圖Fig.5 Trace diagram of gas flow

3.2 不同高度橫截面上速度分布

為進(jìn)一步了解高爐內(nèi)煤氣流的分布狀態(tài)，對(duì)高爐內(nèi)不同位置截面速度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖6所示.在高爐高度方向，由下至上依次在風(fēng)口、爐腰、爐身和爐喉下部取一典形位置截面進(jìn)行測(cè)量；在高爐徑向方向，從高爐中心到邊緣等距取3個(gè)截面觀測(cè)不同徑向位置的煤氣流在高度上的分布變化情況.

圖6 高爐內(nèi)煤氣流速監(jiān)測(cè)面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the gas flow rate monitoring surface in the blast furnace

圖7為不同料面結(jié)構(gòu)下高爐內(nèi)不同高度截面的速度分布圖.從圖中可以看出，在高爐下部軟熔帶以下的位置，高爐邊緣的煤氣流速比中心的煤氣流速大.隨著高度的上升，煤氣進(jìn)入塊狀帶后，受到礦焦料層分布的影響，此時(shí)高爐中心煤氣流速增大，中心氣流相對(duì)發(fā)展.

圖7 不同料面結(jié)構(gòu)下高爐內(nèi)不同高度截面速度分布Fig.7 Velocity distribution of different height sections in the blast furnace with different material surface structures

圖7（a）為風(fēng)口截面處速度的徑向分布圖，其速度云圖見(jiàn)圖3.可以看出，煤氣流速在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的遞減梯度特征，而在風(fēng)口回旋區(qū)外急劇減小，且在高爐中心處幾乎不存在煤氣的流動(dòng)，這是由于風(fēng)口回旋區(qū)外側(cè)存在死料堆.此外，從圖中還可看出，在不同料面結(jié)構(gòu)的風(fēng)口截面上，速度的徑向分布情況變化不大，這是由于不同的料面結(jié)構(gòu)主要改變的是塊狀帶料層的分布，對(duì)軟熔帶以下煤氣流分布情況的影響較小.

從圖7（b）中可以看出：此位置離軟熔帶近，速度突然變小的點(diǎn)正處于軟熔帶礦層位置，煤氣流速?gòu)倪吘壍街行牡淖兓淮?；不同傾角的“V”形料面對(duì)爐腰附近煤氣流速的影響也無(wú)明顯規(guī)律，“平臺(tái)＋漏斗”形料面邊緣的煤氣流分布比不同傾角“V”形料面的煤氣流分布更均勻.

從圖7（c）中可以看出，煤氣流速隨著水平距離的變化呈小幅度波動(dòng)狀態(tài)，而中心處煤氣流速已有大于邊緣煤氣流速的趨勢(shì).此時(shí)煤氣流速的波動(dòng)是由焦炭層和礦石層的交錯(cuò)排布及堆角造成的，這種情況反應(yīng)在圖上就是產(chǎn)生了許多速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)［15］.同時(shí)可以看出，隨著“V”形料面傾角的增大，中心處煤氣流速也增大.

從圖7（d）中可以看出，在此位置處高爐中心處的煤氣流速大于邊緣的煤氣流速，即中心氣流明顯發(fā)展得更好.這是因?yàn)樵凇癡”形料面下，受到料層堆角的影響，煤氣從塊狀帶流出后有向中心流動(dòng)的趨勢(shì)，而兩側(cè)的煤氣在中心處匯集，使中心處的煤氣速度大于兩段的煤氣速度.隨著料面傾角的增大，煤氣的速度也明顯增大，當(dāng)料面傾角由25°增加到35°，高爐爐頂煤氣流速由2.95 m／s增大到了3.87 m／s.但隨著煤氣流速的增大，煤氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間縮短，這不利于高爐間接還原的發(fā)展.同時(shí)，在“平臺(tái)＋漏斗”形料面下，此位置截面處高爐中心煤氣流速減小，邊緣煤氣流速增大，整體上煤氣流分布更加均勻.

3.3 不同徑向位置在高度上的速度分布

在高爐的徑向方向上由高爐中心到邊緣等距取3個(gè)截面（x＝0，1.2，2.4 m），觀測(cè)不同徑向位置的煤氣流在高度上的分布變化情況，結(jié)果如圖8所示.

圖8（a）為高爐中心線x＝0位置處高度方向上的煤氣流分布情況.由于風(fēng)口回旋區(qū)外側(cè)死料堆的存在，高爐的底部爐缸內(nèi)和風(fēng)口回旋區(qū)外側(cè)靠近高爐中心的死料堆處幾乎不存在煤氣流的分布.當(dāng)?shù)竭_(dá)軟熔帶位置時(shí)，由于煤氣經(jīng)過(guò)軟熔帶時(shí)都是從焦窗通過(guò)的，所以在礦層位置檢測(cè)不到煤氣流速，這一點(diǎn)是與實(shí)際情況相符合的.隨著高度繼續(xù)升至塊狀帶，煤氣流速隨高度的上升而逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)爐料頂層時(shí)速度達(dá)到最大，而進(jìn)入爐喉之后煤氣會(huì)向四周擴(kuò)散，高爐中心的煤氣流速相對(duì)降低.

圖8 不同徑向位置高度方向上煤氣流速度分布Fig.8 Distribution of gas flow velocity in different radial position heights

從圖8（a）中還可以看出：在高爐中心線高度處，高爐爐料內(nèi)部“V”形料面和“平臺(tái)＋漏斗”形料面的煤氣流速度相差不大；而在料層頂部“平臺(tái)＋漏斗”的煤氣流速明顯小于“V”形料面在頂部的煤氣流速.圖8（b）為高爐中心線x＝1.2 m位置處高度方向上的煤氣流分布情況.在此截面上，隨著高度的上升，煤氣流速逐漸增大，但不同料面結(jié)構(gòu)的煤氣流分布差異并不明顯.圖8（c）為高爐中心線x＝2.4 m位置處高度方向上的煤氣流分布情況.可以看出，此位置屬于高爐邊緣，邊緣煤氣流速隨高度的上升而增大，且在高爐料層頂部位置，“平臺(tái)＋漏斗”形料面煤氣流的速度要高于“V”形料面的煤氣流速.

4 結(jié) 論

（1）“V”形料面和“平臺(tái)＋漏斗”形料面均是發(fā)展中心氣流的料面結(jié)構(gòu).當(dāng)“V”形料面傾角為30°時(shí)，爐頂?shù)淖罡咚俣葹?.05 m／s，而“平臺(tái)＋漏斗”形料面爐頂?shù)淖罡咚俣葹?.15 m／s.比較而言，“V”形料面更有利于發(fā)展中心氣流.

（2）在“V”形料面下，當(dāng)料面傾角由25°增加到35°時(shí)，高爐爐頂煤氣流速由2.95 m／s增大到了3.87 m／s，而隨著煤氣流速的增大，煤氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間縮短，這將不利于高爐間接還原的發(fā)展.因此，在本研究條件下，選擇25°料面傾角.

（3）與“V”形料面相比，“平臺(tái)＋漏斗”形料面高爐中心煤氣流速減小，邊緣煤氣流速增大.在“平臺(tái)＋漏斗”形料面的爐頂截面上，最高速度與最低速度相差1.2 m／s；而在傾角30°的“V”形料面的爐頂截面上，最高速度與最低速度相差2.116 m／s.可見(jiàn)“平臺(tái)＋漏斗”形料面的煤氣流分布更加均勻，更有利于高爐內(nèi)爐料的還原.