高炉回旋区燃烧数值模拟研究

作者:郭术义;尚松蒲 刊名:华北水利水电学院学报 上传者:丁忠维

【摘要】为研究回旋区内物理化学状态,对回旋区内存在的焦炭热解、水分蒸发、燃烧、气体湍流化学反应进行了分析,建立了基于混合颗粒条件的湍流数学模型,利用CFX进行了数值模拟.结果表明:回旋区内,气流呈双涡旋分布,气体速度大部分小于16 m/s,峰值温度在2 670 K左右,焦炭粒子数为3 000时,CO2和CO气体峰值浓度百分比分别为17.0%和27.4%,高炉煤气流分布为中心气流弱,边缘气流强.红外测温实验及大量操作实践验证了数值模拟结果基本是正确的,对进一步研究回旋区和创新高炉操作制度提供了理论依据.

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高炉冶炼反应的主要还原剂来源于高炉回旋区,鉴于此,各国研究学者对回旋区进行了深入研究[1-2].文献[3]建立了回旋区冷态试验模型,采用激光PDA对回旋区内气、粒两相特性进行研究.但由于回旋区内物理化学过程的复杂性,目前风口回旋区理论仍缺乏完整的描述[4].CFX是最成熟的商品化CFD软件之一,它提供了被工程广泛验证的多种三维复杂湍流流动模型,化学动力学模型,多相流模型,气态、固态燃烧模型,辐射模型和颗粒输运模型等;拥有针对流体问题的最新网格生成技术;提供的基于改进的SIMPLE算法则包含多种求解模块的求解器,具有高可靠性和强大的计算能力;提供了领先的数据可视化后处理技术.为了更好地研究高炉回旋区内物理化学状态,建立了基于颗粒轨道的三维湍流数学模型,并借助于CFX进行数值解析,图形化方式分析了回旋区内气体速度等分布.1数学模型建立高炉回旋区内部主要为高温气体之间以及气体与焦炭之间发生燃烧等复杂的化学反应,同时高速气流中的焦炭发生高温热解、颗粒中水分蒸发以及气体自身的湍流行为.对这些因素进行逐一分析,建立比较全面的数学模型.1.1焦炭的热解过程高温下焦炭的热解过程非常复杂,准确模化极其困难.采用CFX提供的双热解模型描述该过程GV=mCa1B1exp-E1RTP+a2B2exp-E2RTP(1)m.C=-mCB1exp-E1RTP+B2exp-E2RTP(2)式中:GV为挥发分挥发反应率;mC为焦炭颗粒质量;a1,a2为热解过程的化学当量系数;B1,B2为Ar-rhenius型方程指数前因子;E1,E2为反应活化能;R为气体摩尔常数;Tp为焦炭颗粒温度.1.2焦炭中的水分蒸发焦炭颗粒中水分蒸发项为GW=dWN*uDln1+YW1-YW(3)YW=BWexp-EWRTW(4)式中:GW为水滴蒸发率;dW为水滴直径;N*u为传质Nusselt数;D为扩散系数;YW为水蒸气的相对浓度;TW为水蒸气温度.1.3焦炭的燃烧回旋区内焦炭颗粒反应极其复杂,主要包括与O2完全燃烧反应、不完全燃烧反应、熔损反应、水煤气反应和与H2的反应等.文中主要考虑完全燃烧、不完全燃烧及熔损反应.则焦炭颗粒反应项G=dpN*uDlnGCO2-YCO2,GGCO2-YCO2,WG(5)G=dpN*uDlnGO2-YO2,GGO2-YO2,WG(6)式中:G为焦炭颗粒综合反应率;GCO2,GO2分别为CO2和O2的反应率;YCO2,W,YO2,W分别为CO2和O2的相对浓度.对反应率GCO2,GO2有GO2=-d2pYO2,WB1exp-E1RTP+B2exp-E2RTP(7)GCO2=d2p118YO2,WB1exp-E1RTP-YCO2,WB3exp-E3RTP(8)则焦炭反应率GC为GC=-34GO2-311GCO2(9)综合焦炭颗粒存在的热解、蒸发和化学反应,有G=GC+GV+GW(10)根据黑体辐射理论,焦炭能量方程为16d3PCcCddTtP=d2p(T4g-T4P)+GqWG1O2QO2,1+G2O2QO2,2-G3CO2QCO2,3(11)记G1O2=d2PYO2,WB1exp-E1RTPG2O2=d2PYO2,WB2exp-E2RTPG3CO2=d2PYCO2,WB3exp-E3RTP式中:C,cC分别为焦炭颗粒的密度和比热;为辐射系数;为Stefan-Boltzmann常数;Tg为周围环境温度;qW,QO2,1,QO2,2和QCO2,3分别为蒸发热以及3个反应产生的反应热.联立式(1)(11)可以求出静止的焦炭颗粒在发生热解、水分蒸发、燃烧情况下颗粒温度、粒径变化

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