煤粉燃燒率的數值模擬研究

宿立偉

(中冶京誠工程技術有限公司,北京 100176)

煤粉燃燒率的數值模擬研究

宿立偉

(中冶京誠工程技術有限公司,北京 100176)

噴煤技術是降低高爐焦比、降低生產成本的一項關鍵技術,已經在高爐煉鐵領域得到普遍應用。提高煤粉在高爐內的燃燒率,是降低燃料比非常重要的因素之一。本文通過數值模擬的方法,來研究幾種工況下噴入高爐的煤粉燃燒率,并且分別在不同煤比、不同富氧率、不同粒度、不同灰分、不同揮發分條件下對煤粉燃燒率進行了比較。

煤粉燃燒率 數值模擬 煤比 富氧率 粒度 灰分 揮發分

1 引言

研究清楚煤粉燃燒率的影響因素，可以對降低高爐燃料比有一定的指導意義。但是研究煤粉燃燒率的有效研究手段并不是很多。雖然可以通過檢測煤氣中的煤粉含量來計算某一高爐在某一條件下的煤粉燃燒率，但是實際生產中的高爐很難提供條件研究不同的變量條件下煤粉燃燒率的變化。由于煤粉噴入高爐以后，主要是在風口回旋區進行燃燒，所以研究風口回旋區的煤粉燃燒率可以近似等同于高爐內煤粉燃燒率，本文通過數值模擬的方法，對煤粉在風口回旋區內的燃燒率進行計算，研究不同變量對煤粉燃燒率的影響。

2 物理數學模型的建立

由于高爐回旋區形狀隨操作條件的變化而變化，而且現有的回旋區的研究結果中說法很多，差異很大，沒有形成一套系統的研究理論。而我們的研究重點是煤粉在回旋區內的燃燒狀況，所以做如下基本假設[1][2][3]：

假設回旋區是一個長方體形狀；

回旋區中間部分認為是空區，邊緣區域用多孔介質模擬焦炭，認為多孔介質只起阻力作用，并不參與反應。

按照礦焦比及礦石氧含量，計算出作為還原劑的焦炭質量。其余的焦炭認為是熱源，按照一定的轉換比，將其轉化為煤粉。

將煤粉看作離散相，顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數對連續相的影響均未加以考慮。

根據以上假設，建立的物理模型及其網格劃分如圖1所示：

采用如下數學模型進行計算：

(1)κ-ε湍流模型；

圖1 回旋區物理模型及其網格

(2)非預混燃燒模型；

(3)離散相模型；

(4)P1輻射模型；

(5)能量方程。

表1 計算用煤粉參數

表2 煙煤和無煙煤的成分

3 計算結果及分析

表1給出了某噴吹煤種的成分，基于該煤粉條件下，分別計算煤比為100kg/t·HM、150kg/t·HM和200kg/t·HM時在不同風溫條件下的煤粉燃燒率，計算結果如圖2所示。在風溫分別為900℃、1100℃、1250℃時，在不同富氧率條件下煤粉燃燒率，計算結果如圖3所示。

通過計算結果可以看出，煤比越低煤粉燃燒率越高，風溫越高煤粉燃燒率越高，富氧率越高煤粉燃燒率越高，但是提高風溫對煤粉燃燒率的影響程度越來越小，同時提高富氧率對煤粉燃燒率提高的幅度影響也越來越小，當富氧率達到5%以后，再提高富氧率，煤粉燃燒率不會有明顯的提高。

表2給了煙煤和無煙煤的成分，基于這兩個煤種計算煤粉燃燒率結果如圖4所示

從圖4可以看出，煙煤(高揮發分煤)的燃燒率要遠遠高于無煙煤(低揮發分煤)的燃燒率，主要是由于進入回旋區以后揮發分在達到一定溫度后分離出來，生成易燃的碳氫化合物，幾乎完全燃燒，所以煙煤的燃燒率要高于無煙煤。

在表1的煤種條件下，計算不同粒度對煤粉燃燒率的影響，計算煤粉粒度分別為150目(大約為106μm)、200目(大約為75μm)和250目(大約為58μm)的燃燒率，結果如圖5所示。通過計算結果來看，粒度越小，煤粉燃燒率越高，但是對煤粉燃燒率的影響程度越來越小。

圖2 風溫對煤粉燃燒率的影響

在表1的煤種條件下，計算不同灰分對煤粉燃燒率的影響，計算煤粉灰分分別為9%，10%和11%情況下的燃燒率，結果如圖6所示。通過計算結果來看，灰分越大煤粉燃燒率越低，而且對煤粉燃燒率的影響程度并不隨著灰分的增加而降低。

圖3 富氧率對煤粉燃燒率的影響

圖4 揮發分對煤粉燃燒率的影響

4 結語

(1)煤比越低煤粉燃燒率越高，風溫越高煤粉燃燒率越高。

(2)富氧率越高煤粉燃燒率越高，但是風溫提高對煤粉燃燒率的影響程度越來越小。

(3)煙煤(高揮發分煤)的燃燒率要遠遠高于無煙煤(低揮發分煤)的燃燒率。

(4)粒度越小，煤粉燃燒率越高，但是對煤粉燃燒率的影響程度越來越小。

圖5 粒度對煤粉燃燒率的影響

圖6 灰分對煤粉燃燒率的影響

(5)灰分越大煤粉燃燒率越低，而且對煤粉燃燒率的影響程度并不隨著灰分的增加而降低。

[1]福武剛.高爐回旋區和爐缸工作文集.冶金工業出版社.

[2]S.RAJNEESH, S.SARKAR etal. Prediction of Raceway Size in Blast Furnace from Two Dimensional Experimental Correlation.ISIJ International, vol.44,2004.

[3]T.Suzuki, T.Uehara and H.Akedo, Combustion characteristics of pulverized coal for blast furnace coal injection, Ironmaking Conference Proceedings,Vol.49,1990.