高炉煤气平均停留时间的模拟及讨论

第四步： 方程求解完毕，导出示踪剂数据并进 行相应后处理计算．
2 结果及讨论
2. 1 三维速度场分布 图 2 是鼓风速度为 200 m / s 时，风口轴线所
在水平面（ y = 1. 5） 的煤气速度（ 表观速度） 分布 图，其中图 2（ a） 所示的云图标尺为 0 ～ 200，从云 图中可以看出煤气速度变化跨度很大，在高炉内 部中心区域煤气速度远远小于风口处的煤气速 度，产生这种现象的主要原因可以由风量和横截 面积的关系解释： 轴线所在水平面的横截面积 （ 模型中高炉炉缸直径为 10. 6 m） 远大于风口总 面积（ 风口直径为 130 mm） ． 为了清晰地显示风口 前端煤气速度变化规律，将标尺区间选择为 0 ～ 5，如图 2（ b） 所示，从图中可以看出风口回旋区内 的速度并非分布均匀，而是呈现出明显的梯度特 征： 越接近高炉中心，煤气速度越低； 另外，速度梯 度主要集中体现在回旋区内部． 同回旋区内的特 征相比，煤气在离开回旋区之后，速度梯度在轴向 上明显减小，在圆周方向上则已看不出明显的速 度差别（ 可以将此种分布近似看作沿高炉中心轴 线呈轴对称分布） ，这从侧面佐证了使用轴对称 模型研究高炉的合理性．
件列于表 1． 另外，为了较为准确地模拟高炉内部的煤气
流场，并尽量减少低质量网格所引起的迭代误差 的影响（ 注： 网格质量的高低和排列的规整程度 直接影响速度场计算的准确性和云图的可视 性） ，基于 ICEM 划分 BLOCK 的方法，对高炉整体 生成全六面体网格（ 并非基于轴对称或薄片结构 或单个风口扇形几何） ，并对风口区域进行单独 加密，网格综合质量确保在 0. 85 以上．
表 1 模型所用参数和模拟条件 Table 1 Model parameters and simulation conditions
所用参数 鼓风速度 /（ m·s －1 ） 风口数量（ － ） 风口直径 / mm
炉顶压强 /（ p /p ） 焦炭堆积密度 / （ kg·m － 3 ） 铁矿物堆积密度 / （ kg·m － 3 ） 焦炭自然堆角 /（ °） 铁矿物自然堆角 /（ °） 焦炭当量直径 / mm 铁矿物当量直径 / mm 矿焦比 /（ t /t） 炉身角 /（ °） 炉腹角 /（ °） 高炉有效容积 / m3
由于高炉炼铁过程是复杂的高温物理化学过 程，再加上炉墙和冷却设备的包覆，造成高炉内部 冶炼过程的不可视性，给冶金工作者掌握高炉内
收稿日期： 2016-12-30． 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 51574064） ． 作者简介： 郁肖兵 （ 1988—） ，男，博士研究生，E － mail： yu_ xb@ outlook. com； 邹宗树 （ 1958—） ，男，教授，博士生导师． 通讯作者： 李强 （ 1978—） ，男，副教授，E － mail： liq@ smm. neu. edu. cm
在高炉生产过程中，焦炭和含铁原料（ 矿石， 烧结矿，球团矿） 通过布料设备从炉顶加入，鼓风 （ 温度可达 1 000 ℃ ） 通过风口围管及每个风口支 管，进入高炉． 由于压缩机提供的压强很大，热风 具有很高的动能，进入高炉后会将风口前端的焦 炭吹开，形成空隙度很高的风口回旋区，并裹挟焦 炭在回旋区内运动和燃烧，同时产生大量的还原 煤气（ 主要成分为 CO） ． 还原煤气随即向高炉中 心和上部流动，随着热量的交换和 Fe 氧化物还原 的进行，煤气成分不断发生变化，其中 CO 持续减
高炉煤气平均停留时间的模拟及讨论
郁肖兵1 ，张 伟1，2 ，李 强1 ，邹宗树1
（ 1． 东北大学 冶金多相传输及反应工程研究所，沈阳 110819； 2． 武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉 430081）
摘 要： 为了探究高炉煤气分布的规律，本研究在考虑料层分布的前提下使用三维高炉数学模型计算了煤气 的平均停留时间． 结果表明，料层分布对煤气流场影响明显，煤气平均停留时间和鼓风速度存在比较明显的 线性关系． 特别是对于 1 850 m3 的高炉在 200 m / s 的鼓风速度下，模型求得煤气平均停留时间约为 6 s． 此 外，从几何相似的角度分析了几何模型的选择对模拟煤气平均停留时间的影响，得出了三维几何模型应为模 拟煤气平均停留时间最优几何的结论． 关键词： 高炉； 煤气停留时间； 煤气分布； 数值模拟； 三维 中图分类号： TF 537 文献标识码： A 文章编号： 1671-6620（ 2017） 02-0083-07
d ） 0． 14
ore ore
在本模型中对示踪剂物理性质的处理是认为 其与煤气性质完全一致，即便如此 FLUENT 仍可 根据名字识别该示踪剂． 考虑了湍流对煤气和示 踪剂分布的影响，湍动能和湍动耗散率的计算采 用标准 κ-ε 双方程模型． 1. 2 炉料分布处理方法
考虑了布料操作对煤气流分布的影响，软熔 带及其以上 的 炉 料 的 料 面 函 数 根 据 文 献［15］中 提供的方法计算得出，料面分布模型计算得到的 料面角度随料面编号（ 编号从炉喉料层往下逐渐 增加） 变化的关系曲线如图 1 所示．
1 数值模拟方法
1. 1 控制方程 气体连续性方程：
（ εg ρgUg） = 0
（ 1）
气体动量方程：
（ εg ρgUgUg） =
g
－
εg ρ
+
ρg
εgg
+
f
s g
（ 2）
气体组分传输方程：
（ εg ρgφi ） t
+ （ εg ρgUgφi）
－ （ εg Γgφi）
=0
（ 3）
体积分数方程：
εg + εs = 1
参数值 150 ～ 300
24 130 2 525 1 660 35 33 40 20 40 /9 77. 10 68. 39 1 850
1. 3 煤气停留时间测定方法 使用 FLUENT 获得煤气停留时间的总体思路
与通过物理实验测定停留时间基本相当： 即在反 应器入口处（ 相当于本数值实验的风口位置） 脉 冲加入示踪剂，然后在反应器出口处（ 相当于本 模型的炉顶出口） 监测并记录示踪剂浓度随时间 变化的数据． 具体实现步骤如下：
Abstract： In order to get a regularity of the gas distribution，the average gas residence time w as calculated through a three － dimensional mathematical model of blast furnace （ BF） ，taken into account of the previous calculation of the burden distribution． T he results show that，the burden distribution pattern has an obvious impact on the gas flow field． T here is an evident linear relationship betw een the average gas residence time and the blast velocity． Particularly，for the blast furnace of 1 850 m3 ，the average gas residence time is about 6 seconds at a blast velocity of 200 m / s． According to the similarity theory，effect of the model on the average gas residence time w as analyzed． It w as found that the three － dimensional model is an optimum one． Key words： blast furnace； gas residual time； gas distribution； numerical simulation； three － dimensional
3355
3300
料 面 倾 斜 角 度/(/º()°)
2255
2200
1155
1100
55 5 1100 115 2200 225 330 335 4400 445 5500 555 料 层 编 号 （从 炉 喉 往 下
逐 渐 增 大）
图 1 料面倾角变化图 Fig. 1 Change of the burden surface
第一步： 使用模型计算得到稳态收敛的流场 （ 此时入口示踪剂浓度为 0） ；
第二步： 将模型改为非稳态，并将入口处示踪 剂的组分浓度调整为单位 1，然后求解脉冲时间 内示踪剂的分布状态（ 此时相当于注入示踪剂的 过程） ；
第三步： 示踪剂添加结束，将其在入口处的浓 度重新调整为 0，设置出口监测面以监测示踪剂 浓度随时间的变化，随后求解示踪剂组分方程；
inclination angle
显性考虑了风口回旋区对煤气初始分布的 影响，风口回旋区大小根据文献［16］提供的经验 公式进行计算，为方便编程对回旋区进行球形简 化处理． 由文献［17］提供的高炉解剖数据，死料 柱与水平面夹角取为 45 度． 软熔带结构采用旋转 二次曲面进行形状模拟，并考虑了影响煤气二次 分布的软融层和焦炭层． 模型中所使用的模拟条
部冶炼规律带来很大困难． 为了解决这类难题，冶 金工作者开发了多种数学模型［1 ． － 13］ 相比于工业 试验和半工业试验，高炉数学模型实施起来相对 容易，耗费人力物力成本较低，并能得到高炉内部 现象的细节性描述，从而有利于高炉的生产控制 和过程优化． 高炉内合理的煤气运动对冶炼过程 的顺利进行具有重要的意义，而煤气速度分布能 直观地反应高炉内部煤气流动状态，煤气停留时 间亦能反应出煤气在高炉内部流动的快慢及煤气 利用情况［14］，煤 气 停 留 时 间 过 长，说 明 炉 内 存 在 煤气呆滞区； 而停留时间过短，则可能意味着煤气 利用率的下降或管道行程． 前人已对高炉煤气停 留时间做了一定的研究，如孙绍杰等人［10］通过使 用85 Kr 作为示踪剂得到了 2 580 m3 高炉的煤气平 均停留时间约为 6. 45 s，证明了实际工况下监测 煤气停留时间的可行性； 储满生等人［11］提及的高 炉内煤气平均停留时间介于 2 ～ 10 s 之间； 袁冬 冬［12］、高攀等人［13］采用数值模拟的方法，对高炉 内部料层进行简化处理，分别计算了二维和三维 高炉的煤气停留时间，并应用停留时间分布理论 求得了高炉内部死区的体积分数，但其未考虑料 层交替排布和料面倾角变化对煤气流动的影响． 本文建立的三维模型考虑了高炉内部料层分布对 煤气流动的影响，并通过计算机模拟得到了高炉 煤气平均停留时间分布的一些规律． 此外，本文还 简要讨论了不同几何模型的选择对煤气停留时间 模拟的影响．
Simulation and discussion on the average gas residence time in blast furnace
Yu Xiaobing1 ，Z hang W ei1，2 ，Li Q iang1 ，Z ou Z ongshu1
（ 1． M etallurgical M ultiphase T ransmission ＆ Ｒ eaction Engineering Ｒ esearch Institute，N ortheastern U niversity，Shenyang 110819，C hina； 2． Key Laboratory for Ferrous M etallurgy and Ｒ esource U tilization of M inistry of Education， W uhan U niversity of Science and T echnology，W uhan 430081，C hina）
少，CO2 逐渐增多，煤气的还原势则不断下降，最 后通过高炉顶部煤气上升管道离开高炉． 与煤气 接触的含铁原料，在下行的过程中，受到煤气物理 热和还原势的影响，逐渐失去水分和氧元素，经历 软化、熔融、滴落等过程，完成铁素和脉石的分离， 汇聚于炉缸，最后以铁水和炉渣的形式排出高炉， 至此高炉完成一个冶炼周期．
（ 4）
其中， g = εg μg［Ug + （ Ug ） T］
－
2 3
εg
μg（
Ug ）
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I
f
s g
= 150
（1
－ εg） ε3g
2
（
μgUg sds）
2
+
1．
75
（
1
－ εg ） ρg U2g ε3g s ds
εcoke = 0． 276 － 0． 153 log（ d ） coke coke
εore = 1 － 0． 403 log（