高爐噴吹煤粉管道壓降模型的相關(guān)研究

何海熙 謝 皓 孫小東 徐 燦 張 杰 王 賢 顏 新

(1. 中冶賽迪信息技術(shù)(重慶)有限公司智能煉鐵部，2．中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司煉鐵事業(yè)部)

近年來(lái)，高爐噴煤技術(shù)作為改變高爐能源結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]，已經(jīng)發(fā)展成為煉鐵行業(yè)不可或缺的工藝環(huán)節(jié)，煉鐵工作者對(duì)噴煤技術(shù)革新的關(guān)注也越來(lái)越多，新建高爐或改造高爐必須設(shè)置噴煤設(shè)施[4]。

隨著高爐噴煤技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，降低噴煤能耗和成本成為重要的研究方向。文章以附加壓降理論為基礎(chǔ)，采用理論計(jì)算、中試實(shí)驗(yàn)與工程驗(yàn)證相結(jié)合，建立了一套適合于高爐噴吹煤粉壓降模型，期望為進(jìn)一步降低噴吹能耗提供理論支撐。

1 噴煤壓降模型概述

高爐噴煤是利用高壓氣體，將噴吹罐內(nèi)煤粉通過(guò)管道輸送至煤粉分配器，再經(jīng)煤粉分配器均勻分配到各煤粉支管，最后由煤粉支管末端噴槍噴入高爐內(nèi)，該過(guò)程阻力損失屬于氣力輸送領(lǐng)域范疇。

目前氣力輸送領(lǐng)域計(jì)算管道壓降主要有壓降比法、經(jīng)驗(yàn)公式法、力平衡法和附加壓降法。壓降比法和經(jīng)驗(yàn)公式法模型非常簡(jiǎn)單，但精度低，工程應(yīng)用普適性比較差；力平衡法精度高，但模型建立難度大。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)煤粉管道的阻力特性進(jìn)行過(guò)很多研究，主要針對(duì)附加阻力系數(shù)建立了大量模型，見(jiàn)表1。但由于試驗(yàn)條件不同，所獲得的模型也不盡相同。僅從試驗(yàn)條件來(lái)看，池作和、黃萬(wàn)杰等人的研究與實(shí)際工程比較接近，但僅單獨(dú)分析了附加阻力系數(shù)與固氣比或弗勞德準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系，并未統(tǒng)一考慮弗勞德數(shù)、固氣比和物料物性參數(shù)對(duì)阻力特性的影響。

表1 煤粉管道附加阻力系數(shù)λs模型

文章結(jié)合目前高爐噴煤的發(fā)展趨勢(shì)，采用附加壓降法，通過(guò)中試實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，建立精度較高的煤粉管道壓降模型。

2 壓降阻力系數(shù)中試實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案介紹

利用中試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展不同管徑組合方式的實(shí)驗(yàn)，研究在不同管道長(zhǎng)度、不同噴吹量時(shí)管道阻損與氣體流速的關(guān)系，構(gòu)建純氣體阻力模型、附加阻力模型。

實(shí)驗(yàn)物料參數(shù)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的條件分別如表2和表3，與實(shí)際工程接近。實(shí)驗(yàn)采用壓縮空氣輸送無(wú)煙煤粉，壓縮空氣最高輸送壓力0.6 MPa，無(wú)煙煤粉來(lái)源于實(shí)際工程，粒度<74 μm比例73.6%，松裝密度684 kg/m3。輸送管道采用DN65～DN100無(wú)縫鋼管，最高噴吹能力18 t/h，相當(dāng)于1 000級(jí)高爐實(shí)際噴吹量。

表2 實(shí)驗(yàn)物料參數(shù)

表3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)條件

不同管道組合的實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表4所示。方案1為純氣體阻力實(shí)驗(yàn)，總長(zhǎng)度200 m(其中D76管道與D108管道各100 m)，方案2～方案4為不同管徑和長(zhǎng)度組合下的煤粉輸送實(shí)驗(yàn)方案，其中方案2管道總長(zhǎng)度為400 m(D76管道與D108管道各200 m)，方案3管道總長(zhǎng)度為700 m(D76管道長(zhǎng)200 m，D108管道長(zhǎng)500 m)。方案4管道總長(zhǎng)度為1 000 m(D76管道長(zhǎng)500 m，D108管道長(zhǎng)500 m)。每根管道的起始和結(jié)束段均安裝差壓變送器，測(cè)量管道差壓和壓力。壓縮空氣流量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。

表4 實(shí)驗(yàn)方案

2.2 純氣體阻力系數(shù)結(jié)果分析

通過(guò)方案1測(cè)定管道阻力損失ΔP與壓縮空氣流速V之間關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2所示。D76和D108的管道壓降ΔP隨著氣體流速V的增大呈指數(shù)型增加，即ΔP∝V1.7～1.9(D76，ΔP=0.045 6×V1.896 9；D108，ΔP=0.065×V1.738)，實(shí)驗(yàn)相關(guān)性R2均超過(guò)0.99。

圖1 D76管道壓差ΔP與流速V關(guān)系

圖2 D108管道壓差ΔP與流速V關(guān)系

通過(guò)回歸分析得到純氣體阻力系數(shù)λg與雷諾數(shù)Re之間關(guān)系為：D76，λg=0.426 7Re-0.23，R2=0.991 1，見(jiàn)圖3；D108，λg=0.405 3Re-0.237，R2=0.915 8，見(jiàn)圖4。將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行多元線性回歸，得到純氣體阻力系數(shù)表達(dá)式為：λg=0.41Re-0.23。

圖3 D76管道純氣體阻力系數(shù)回歸模型

2.3 附加阻力系數(shù)結(jié)果分析

大量理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，附加阻力系數(shù)與以下各參數(shù)之間存在一定關(guān)系即：

λs=f(vg,ρg,ρs,dp,D,g,μ)

(1)

式中：vg為氣體速度，m/s；ρg，ρs分別為氣、固兩相真實(shí)密度，kg/m3；dp，D分別為固體顆粒平均粒徑和管徑，mm；μ為固氣比，kg/kg。

根據(jù)量綱和諧原理，可將附加阻力系數(shù)的表達(dá)式整理為：

λs=a0Fra1(ρs/ρg)a2(D/ds)a3μa4

(2)

式中：Fr為弗勞德數(shù)，與氣體速度和管道直徑有關(guān)，F(xiàn)r=v(gD)-0.5。

在實(shí)驗(yàn)中，煤粉主管選取標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫鋼管，管徑一般在65～100 mm之間，為簡(jiǎn)化計(jì)算，式中管徑對(duì)附加阻力系數(shù)的影響可通過(guò)弗勞德準(zhǔn)數(shù)形式表征。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得不同實(shí)驗(yàn)方案下，附加阻力系數(shù)表達(dá)式分別為：D76,λs=6.0Fr-2.0μ-0.4,R2=0.94;D108,λs=1.4Fr-1.8μ-0.2,R2=0.84。將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行多元線性回歸，得附加阻力系數(shù)λs=0.7Fr-1.4μ-0.2。

綜上，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展不同管徑組合方式下實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)建高爐噴煤壓降預(yù)測(cè)模型ΔP=(λg+λsμ)×ρgv2/2g×ΔL/D，λg=0.41Re-0.23，λs=0.7Fr-1.4μ-0.2。

3 壓降模型工程驗(yàn)證

將文章獲得的高爐噴煤壓降預(yù)測(cè)模型在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和企業(yè)A、B和C上進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 壓降模型測(cè)試和驗(yàn)證結(jié)果

從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，該模型在中試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)際工程項(xiàng)目中結(jié)果接近，整體預(yù)測(cè)精度較高，相對(duì)誤差在4%～7%以內(nèi)，絕對(duì)誤差在0.05 MPa以內(nèi)。實(shí)踐證明該模型能夠根據(jù)高爐生產(chǎn)對(duì)噴煤量的調(diào)整需求，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)噴吹罐壓，從而在保障穩(wěn)定噴煤量的同時(shí)，有效避免能源浪費(fèi)。

將此模型應(yīng)用到企業(yè)A、B和C中產(chǎn)生誤差的主要原因?yàn)椋?/p>

(1)建立模型時(shí)，假定煤粉和氣體在任一管道斷面面積比恒定不變，氣固兩相流連續(xù)流動(dòng)。但實(shí)際工程中煤粉在管道內(nèi)流動(dòng)是間斷性的，而且其流動(dòng)狀態(tài)也并非恒定不變，懸浮流、分層流和沙丘流均可能存在。

(2)在建立模型時(shí)，計(jì)算得到的氣體密度、氣體速度、弗勞德準(zhǔn)數(shù)及雷諾數(shù)均為平均值。同時(shí)以分配器壓力為初始值，通過(guò)迭代計(jì)算得到的氣體速度和噴吹罐壓力也為平均值。因此，在一定程度上影響了模型的精度，但仍然在工程接受范圍。

4 結(jié)語(yǔ)

文章以附加壓降模型為基礎(chǔ)，通過(guò)量綱分析方法，利用中試平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，建立了高爐噴吹煤粉管道壓降模型。該模型通過(guò)計(jì)算高爐噴吹煤粉在管道內(nèi)的壓降，根據(jù)實(shí)際工況能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)噴吹罐壓力，精度為4%～7%以內(nèi)。該模型建立一方面對(duì)于優(yōu)化高爐噴煤工程設(shè)計(jì)提供了一定理論支持，另一方面，在生產(chǎn)實(shí)踐中，可根據(jù)高爐生產(chǎn)對(duì)噴煤量的調(diào)整需求，通過(guò)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)噴吹罐壓，在穩(wěn)定噴煤量的同時(shí)，有效避免能源浪費(fèi)。