高炉喷吹煤和废塑料混合燃料燃烧过程的数值模拟

迭代法求其近似解, 因此, 所采用的是在两相流动及
燃烧领域得到了广泛应用的 SIMP LE 算法。该算法
的差分方程是应用控制容积法, 在交错网格系统中
建立的标量参数, 如温度、压力、密度、湍流动能、湍
流动能耗散率及组分等, 是在标准网格下的控制容
积上积分得到的, 而速度则是在交错网格下的控制
容积上积分得到的。在建立差分方程时, 对式( பைடு நூலகம்) 右
高炉喷吹过程的数值模拟通常有零维模拟、一维
模拟及多维模拟( 二维和三维) 。在高炉喷吹的数值 模拟方面, 大多数工作是零维和一维模拟[ 4 8] , 两维和 三维的很少, 所以高炉喷吹的数值模拟应向多维方向 发展。真正能够详细地给出整个变量场的是多维模 拟, 这种模拟是直接运用计算流体力学、计算传热学 和计算燃烧学的微分方程组, 通过计算机迭代计算 得出可描述变量场实际情况的数值解。多维模拟是 数值模拟领域的研究热点, 并已开始成为且将继续 成为诸如高炉喷吹等工程装置优化及放大的有力工 具。本文在研究高炉喷吹煤与废塑料混合燃料过程 数值模拟时, 对直吹管和回旋区采用二维模拟, 并与 高炉喷吹煤粉的有关物理参数进行了比较分析。
ui 、湍动能 k、湍动能耗散率 、热焓 h、气体的混合分
数等。各项的具体表达式见表 1。
方程 流体相连续方程 x 方向动量方程
y 方向动量方程 流体湍流动能方程 湍能耗散率 混合物分数 气相组分 流体相能量方程
表 1 基本控制方程 Table 1 Basic control equations
!∀ 10
喷 吹 煤与 废 塑 料 的 混合 燃 料 的 直 吹 管径 向 0 1 m 处的温度分布见图 1。
高炉喷吹煤与废塑料混合燃料后, 直吹管的温 度是不均匀的, 直吹管的径向中心温度较低, 边缘温 度也较低, 在中心和边缘的中间狭小地带温度较高, 最高温度达到 2240 K, 不过高温区域很狭窄, 这个区 域是混合燃料和热风的交界处, 燃料热解产生挥发
Numerical Simulation of Combustion Processes of
Injecting Coal and Waste Plastics Blends in BF
WU Fu zho ng1 , JIN H ui x in2 , L I Jun qi1
( 1. Colleg e of M ater ials and M etallur g y Eng ineering , G uizhou U niver sity, Guiy ang 550003, G uizhou, China; 2. Key L abo rato ry o n Eco Industr y, N ort heastern U niv ersity , Sheny ang 110004, L iao ning , China)
法模拟辐射换热。离散传输法的模型具有热流法、
区域法和概率模拟法的优点, 而且所占计算空间小,
运算速度快, 计算精度高。因此, 选用离散传输法模
型, 该方法将炉膛壁面的辐射光离散化, 跟踪每束光 到炉内网格中心, 当每束光考虑到网格的温度 T 及
其吸收系数和辐射系数时, 该光束通过一个网格时
的强度变化为:
0
0 ∋ss
- ( nkQ k + CpT S + Qcg
注: Gk=
#t 2
#j xi
+
#i #j
2
; i , j = 1, 2, 3; 通用参数 c1= 1 44, c2 = 1 92。
有人曾采用确定型轨道进行混合燃料颗粒运动
计算。确定型轨道计算无法考虑混合燃料颗粒的扩
散效应, 而在实际的试验和观察中混合燃料颗粒的
Abstract: T he co mbustio n processes of injecting co al and waste plastics blends in BF tuyere wer e pr edicted by a se ries o f mathemat ical models, which included turbulent, co mbustio n of blend, r adiation et al models. T he results indicate that the to tal co mbustio n efficiency o f blends can come up to mor e than 90% , the co mbustio n behav io r of injecting blends in tuyere zone is between t hat o f inject ing coal and w aste plastics. Hence, injecting blends o f co al and w aste plastics in blast fur nace is feasible in theor y. Key words: blast furnace injection; blends fuel; numer ical simulation
高炉喷吹煤粉过程一样, 喷吹过程动力学和化学行 为非常复杂, 涉及到气相和固相各自的湍流特性以 及两者的相互耦合作用, 它包括:
1) 混合燃料和热风的混合, 包括动量、热量和质 量的交换;
2) 混合燃料的热解、燃烧; 3) 混合燃料在回旋区的行为。 在高炉喷吹混合燃料时, 燃料从氧煤枪喷出时, 不仅与热风之间有较大的速度和温度滑移, 而且与 携带它的载体及同轴伴随的氧气之间有滑移。因此 选用 k 模型模拟 湍流燃烧, 该模型考虑 了浓度脉 动对燃烧的影响, 引入了混合分数的概念, 概率密度 函数的形式采用截断高斯分布。 模型的基本假设为: 1) 将颗粒相与气相看成是两种或多种连续的流
分, 挥发燃烧形成高温。该模拟结果同邹祖桥模拟 高炉喷吹煤粉的规律相似。由此可见, 要提高混合 燃料的燃烧效率, 应提高热风温度和富氧率, 加强混 合燃料与热风的混合。 2 2 风口轴向温度分布
直吹管风口轴向温度分布见图 2。 直吹管中心轴向温度随着混合燃料停留时间的 延长而逐渐增加, 喷吹不同废塑料比例的混合燃料 的温度场基本相似。只是废塑料比例高, 混合燃料 的挥发分也随着增高, 喷吹的废塑料比例越高, 在开 始阶段由于热解吸热, 温度要比废塑料比例小的稍 微低一点, 随后温度升高也快, 因此采用高比例废塑 料的混合燃料有利于混合燃料在直吹管内的燃烧, 但是, 废塑料比例过高, 随之而来的问题是: 一是废 塑料的来源问题; 二是废塑料的预处理量过大, 导致 设备投资费用和占地面积过大; 三是喷吹高挥发性 的混合燃料的安全性。 风口轴向温度分布同法国 U ckang e 钢铁厂实测 结果类似, 温度场符合现场观测情况。统计分析表 明, 不同富氧率风口端部平均温度 T 不同, 随富氧率 的增加, 平均温度上升, 热风氧含量也上升, 见图 3。 2 3 喷吹不同燃料的风口区燃料的燃烧效率 喷吹不同比例废塑料的混合燃料模拟燃烧效率
体( 视颗粒尺寸的分组情况) , 空间各点颗粒相与气 相共存, 并相互渗透, 各相具有各自不同的群体 ( 不 是单个颗粒) 速度、温度、密度和体积分数( 或各相出 现的概率) ;
2) 作为连续介质的颗粒群具有其自身的质量、 动量及能量的湍流输送, 但值得注意的是, 对稀相悬 浮流动, 这种湍流输送是与流体相互作用的结果, 不 是颗粒的相互作用, 但对稠密的气固两相流动, 以上 性质还应包括颗粒之间的相互作用而引起的输送;
高炉喷吹废塑料技术在日本、德国等得到开发 应用, 该技术最大特点是能够实现废塑料的无害化、 减容化和资源化处理, 投资和运行费用较低。虽然 该技术在国外已经趋于成熟, 而且已经有成功的应 用实例, 但是由于不同国家和不同地区所产生的废 塑料品质不同, 废塑料收集模式也不同, 而且钢铁企 业对喷吹用煤质量要求也不同, 因此, 适合中国国情 的高炉喷吹废 塑料技术尚有 待于进一步研 究与开 发。国内学者张崇民[ 1] 、龙世刚[ 2] 、曹枫[ 3] 等人只是 进行不同种类的废塑料的燃烧试验, 煤和废塑料混 合燃烧的数值模拟研究未见报道。
第 23 卷第 3 期 2011 年 3 月
钢铁研究学报 Jour nal of Ir on and Steel Research
V ol. 23, No . 3 M ar ch 2011
高炉喷吹煤和废塑料混合燃料燃烧过程的数值模拟
吴复忠1 , 金会心2 , 李军旗1
( 1. 贵州大学材料与冶金学院, 贵州 贵阳 550003; 2. 东北大学生态工业重点实 验室, 辽宁 沈阳 110004)
3) 颗粒尺寸的分组是按初始尺寸分组。 在以 上假 设条件 下, 多 流体气 相滑 移 扩 散模 型, 可用通用形式表示:
x j ( uj ) = x j !∀ x j + S ∀+ Sp∀
( 1)
方程各项的物理意义对应为: 对流项= 扩散项+
流体相自身源项+ 气固相互作用产生的源项。
通用变量 分别代表 x 、y 2 个方向的速度分量
di dt
=
-
( ka +
kp +
ks)I+
&)( ka T 4 +
kp T 4) +
第3期
吴复忠等: 高炉喷吹煤和废塑料混合燃料燃烧过程的数值模拟
13
! ks
4)
4)
I dQ
0
( 3)
1 2 计算方法
由数学模型可知, 燃烧过程的控制方程是非常
复杂的非线性偏微分方程, 除了个别简单方程外, 很
难用直接法获得这些偏微分方程的精确解, 只能用
#
#t
%
#t
k
#t / &k