噴吹罐內煤粉流動的模擬研究

林亮成

摘 要：該文對噴吹罐內的煤粉流動進行了模擬，探究了罐內的流場分布和煤粉顆粒的速度矢量，模擬結果與工程實際相吻合，對噴吹罐的設計和研發具有指導意義。

關鍵詞：噴吹罐 煤粉流動 模擬

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0076-02

Simulation study of the pulverized coal flow in injection tank

LIN Liangcheng

（CISDI Engineering Co， Ltd. 401122）

Abstract：In this paper，the pulverized coal flow in injection tank is simulated. Distribution of the flow field in the tank and velocity vector of coal are explored. Simulation results are consistent with engineering practices. This work has guiding significance to design and research of the injection tank.

Keywords：injection tank pulverized coal flow simulation

高爐煤粉噴吹技術的應用和進步，促進了我國鋼鐵工業的大發展，特別是近幾年來，煤粉噴吹技術已經從當年的以煤代焦和提供熱量，發展成為調劑爐況熱制度、改善爐缸工作狀態、降低燃料消耗以及節能減排等方面的重要措施[1]。為滿足高爐大型化的需求，噴煤工藝各環節應做出相應改進，對煤粉流態化措施等關鍵技術的研究已經引起重視[2]。

噴煤工藝主要分為制粉和噴吹兩部分，噴吹罐是煤粉噴吹系統的關鍵設備。噴吹罐內的煤粉流動是一種典型的氣固兩相流動，雖然工程設計人員已經積累了比較豐富的經驗，但是對煤粉流動的機理研究卻很少，人們對這一過程的認識仍然基于經驗積累。本文通過對噴吹罐內煤粉流動進行數值模擬，探索了煤粉的流動特性，對噴吹罐的設計和研究具有一定的指導意義。

1 數學模型

本文基于雙流體模型[3]，建立噴吹罐內煤粉流動的數學模型。根據雙流體模型的基本假設，建立質量與動量守恒方程。

質量守恒方程：

氣相

（1）

顆粒相

（2）

動量守恒方程：

氣相

（3）

顆粒相

（4）

氣固相的粘性應力張量根據牛頓粘性定律有：

（5）

（6）

氣固相間曳力函數采用Gidaspow模型：

， （7）

， （8）

（9）

（10）

2 模型應用

以某煉鐵廠2560 m3高爐煤粉噴吹系統噴吹罐為模擬對象，噴吹罐結構如（圖1）所示。

應用Fluent 6.3.26計算流體力學軟件進行求解。根據現場工藝條件，模擬參數見表1所示。

3 模擬結果與討論

圖2為噴吹罐內煤粉從1 s至5 s的流動形態，流化氣體從底部進入時，煤粉開始流化，罐內煤粉的擾動范圍逐漸擴大。噴吹罐在運行過程中是在全罐流化以后才開始從彎管輸送煤粉，還是底部流化以后就開始輸送煤粉，以前一直沒有明確的認識，從本文的模擬結果來看，直到第5 s時，尚未實現全罐流化，而從彎管出口處檢測到的煤粉質量流量顯示，第1s時為160.66 kg/s，然后快速減小，到第4s時減為113.35 kg/s，第5s時又增加為119.78 kg/s。可見，噴吹罐在底部流化以后即開始輸送煤粉，輸送過程中罐內煤粉繼續流化。從計算結果來看，質量流量的初始數值很大，并快速減小，然后再次增大，反映了煤粉輸送的脈動現象，與工程實際情況相吻合。

該文對彎管內煤粉流動的速度矢量進行了研究，如圖3所示，圖中箭頭方向表示煤粉運動速度的方向，箭頭長度表示煤粉運動速度的大小。模擬結果顯示，煤粉在彎管垂直段均勻上升，在拐彎處煤粉緊貼彎頭外側運動，且進入水平段后，在較短的距離內仍然緊貼彎管上部流動，這一現象解釋了噴吹罐彎管在彎頭外側容易磨損的原因，模擬結果與實際情況相符。為減緩煤粉對彎頭外側的磨損，建議在設計中將彎管豎直段適當延長，減小煤粉到達彎頭處的速度。

4 結語

本文建立了噴吹罐內煤粉流動的數學模型，通過對某煉鐵廠噴吹罐的模擬，得到以下主要結論：

（1）噴吹罐內煤粉在全罐流化以前就開始通過彎管輸送煤粉，且輸送的質量流量具有脈動特征；

（2）煤粉在通過彎管彎頭時，緊貼彎頭外側，對彎頭的沖擊力較大，解釋了實際生產中彎頭外側容易磨損的原因。

參考文獻

[1] 項鐘庸，王筱留.高爐設計—— 煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2] Wu K，Ding R C，Han Q，et al. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at Capital Steel Co[J].ISIJ Int，2010，50（3）：390.

[3] Gidaspow D.Multiphase flow and fluidization[M].San Diego： Academic Press，1994.endprint

摘 要：該文對噴吹罐內的煤粉流動進行了模擬，探究了罐內的流場分布和煤粉顆粒的速度矢量，模擬結果與工程實際相吻合，對噴吹罐的設計和研發具有指導意義。

關鍵詞：噴吹罐 煤粉流動 模擬

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0076-02

Simulation study of the pulverized coal flow in injection tank

LIN Liangcheng

（CISDI Engineering Co， Ltd. 401122）

Abstract：In this paper，the pulverized coal flow in injection tank is simulated. Distribution of the flow field in the tank and velocity vector of coal are explored. Simulation results are consistent with engineering practices. This work has guiding significance to design and research of the injection tank.

Keywords：injection tank pulverized coal flow simulation

高爐煤粉噴吹技術的應用和進步，促進了我國鋼鐵工業的大發展，特別是近幾年來，煤粉噴吹技術已經從當年的以煤代焦和提供熱量，發展成為調劑爐況熱制度、改善爐缸工作狀態、降低燃料消耗以及節能減排等方面的重要措施[1]。為滿足高爐大型化的需求，噴煤工藝各環節應做出相應改進，對煤粉流態化措施等關鍵技術的研究已經引起重視[2]。

噴煤工藝主要分為制粉和噴吹兩部分，噴吹罐是煤粉噴吹系統的關鍵設備。噴吹罐內的煤粉流動是一種典型的氣固兩相流動，雖然工程設計人員已經積累了比較豐富的經驗，但是對煤粉流動的機理研究卻很少，人們對這一過程的認識仍然基于經驗積累。本文通過對噴吹罐內煤粉流動進行數值模擬，探索了煤粉的流動特性，對噴吹罐的設計和研究具有一定的指導意義。

1 數學模型

本文基于雙流體模型[3]，建立噴吹罐內煤粉流動的數學模型。根據雙流體模型的基本假設，建立質量與動量守恒方程。

質量守恒方程：

氣相

（1）

顆粒相

（2）

動量守恒方程：

氣相

（3）

顆粒相

（4）

氣固相的粘性應力張量根據牛頓粘性定律有：

（5）

（6）

氣固相間曳力函數采用Gidaspow模型：

， （7）

， （8）

（9）

（10）

2 模型應用

以某煉鐵廠2560 m3高爐煤粉噴吹系統噴吹罐為模擬對象，噴吹罐結構如（圖1）所示。

應用Fluent 6.3.26計算流體力學軟件進行求解。根據現場工藝條件，模擬參數見表1所示。

3 模擬結果與討論

圖2為噴吹罐內煤粉從1 s至5 s的流動形態，流化氣體從底部進入時，煤粉開始流化，罐內煤粉的擾動范圍逐漸擴大。噴吹罐在運行過程中是在全罐流化以后才開始從彎管輸送煤粉，還是底部流化以后就開始輸送煤粉，以前一直沒有明確的認識，從本文的模擬結果來看，直到第5 s時，尚未實現全罐流化，而從彎管出口處檢測到的煤粉質量流量顯示，第1s時為160.66 kg/s，然后快速減小，到第4s時減為113.35 kg/s，第5s時又增加為119.78 kg/s。可見，噴吹罐在底部流化以后即開始輸送煤粉，輸送過程中罐內煤粉繼續流化。從計算結果來看，質量流量的初始數值很大，并快速減小，然后再次增大，反映了煤粉輸送的脈動現象，與工程實際情況相吻合。

該文對彎管內煤粉流動的速度矢量進行了研究，如圖3所示，圖中箭頭方向表示煤粉運動速度的方向，箭頭長度表示煤粉運動速度的大小。模擬結果顯示，煤粉在彎管垂直段均勻上升，在拐彎處煤粉緊貼彎頭外側運動，且進入水平段后，在較短的距離內仍然緊貼彎管上部流動，這一現象解釋了噴吹罐彎管在彎頭外側容易磨損的原因，模擬結果與實際情況相符。為減緩煤粉對彎頭外側的磨損，建議在設計中將彎管豎直段適當延長，減小煤粉到達彎頭處的速度。

4 結語

本文建立了噴吹罐內煤粉流動的數學模型，通過對某煉鐵廠噴吹罐的模擬，得到以下主要結論：

（1）噴吹罐內煤粉在全罐流化以前就開始通過彎管輸送煤粉，且輸送的質量流量具有脈動特征；

（2）煤粉在通過彎管彎頭時，緊貼彎頭外側，對彎頭的沖擊力較大，解釋了實際生產中彎頭外側容易磨損的原因。

參考文獻

[1] 項鐘庸，王筱留.高爐設計—— 煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2] Wu K，Ding R C，Han Q，et al. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at Capital Steel Co[J].ISIJ Int，2010，50（3）：390.

[3] Gidaspow D.Multiphase flow and fluidization[M].San Diego： Academic Press，1994.endprint

摘 要：該文對噴吹罐內的煤粉流動進行了模擬，探究了罐內的流場分布和煤粉顆粒的速度矢量，模擬結果與工程實際相吻合，對噴吹罐的設計和研發具有指導意義。

關鍵詞：噴吹罐 煤粉流動 模擬

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0076-02

Simulation study of the pulverized coal flow in injection tank

LIN Liangcheng

（CISDI Engineering Co， Ltd. 401122）

Abstract：In this paper，the pulverized coal flow in injection tank is simulated. Distribution of the flow field in the tank and velocity vector of coal are explored. Simulation results are consistent with engineering practices. This work has guiding significance to design and research of the injection tank.

Keywords：injection tank pulverized coal flow simulation

高爐煤粉噴吹技術的應用和進步，促進了我國鋼鐵工業的大發展，特別是近幾年來，煤粉噴吹技術已經從當年的以煤代焦和提供熱量，發展成為調劑爐況熱制度、改善爐缸工作狀態、降低燃料消耗以及節能減排等方面的重要措施[1]。為滿足高爐大型化的需求，噴煤工藝各環節應做出相應改進，對煤粉流態化措施等關鍵技術的研究已經引起重視[2]。

噴煤工藝主要分為制粉和噴吹兩部分，噴吹罐是煤粉噴吹系統的關鍵設備。噴吹罐內的煤粉流動是一種典型的氣固兩相流動，雖然工程設計人員已經積累了比較豐富的經驗，但是對煤粉流動的機理研究卻很少，人們對這一過程的認識仍然基于經驗積累。本文通過對噴吹罐內煤粉流動進行數值模擬，探索了煤粉的流動特性，對噴吹罐的設計和研究具有一定的指導意義。

1 數學模型

本文基于雙流體模型[3]，建立噴吹罐內煤粉流動的數學模型。根據雙流體模型的基本假設，建立質量與動量守恒方程。

質量守恒方程：

氣相

（1）

顆粒相

（2）

動量守恒方程：

氣相

（3）

顆粒相

（4）

氣固相的粘性應力張量根據牛頓粘性定律有：

（5）

（6）

氣固相間曳力函數采用Gidaspow模型：

， （7）

， （8）

（9）

（10）

2 模型應用

以某煉鐵廠2560 m3高爐煤粉噴吹系統噴吹罐為模擬對象，噴吹罐結構如（圖1）所示。

應用Fluent 6.3.26計算流體力學軟件進行求解。根據現場工藝條件，模擬參數見表1所示。

3 模擬結果與討論

圖2為噴吹罐內煤粉從1 s至5 s的流動形態，流化氣體從底部進入時，煤粉開始流化，罐內煤粉的擾動范圍逐漸擴大。噴吹罐在運行過程中是在全罐流化以后才開始從彎管輸送煤粉，還是底部流化以后就開始輸送煤粉，以前一直沒有明確的認識，從本文的模擬結果來看，直到第5 s時，尚未實現全罐流化，而從彎管出口處檢測到的煤粉質量流量顯示，第1s時為160.66 kg/s，然后快速減小，到第4s時減為113.35 kg/s，第5s時又增加為119.78 kg/s。可見，噴吹罐在底部流化以后即開始輸送煤粉，輸送過程中罐內煤粉繼續流化。從計算結果來看，質量流量的初始數值很大，并快速減小，然后再次增大，反映了煤粉輸送的脈動現象，與工程實際情況相吻合。

該文對彎管內煤粉流動的速度矢量進行了研究，如圖3所示，圖中箭頭方向表示煤粉運動速度的方向，箭頭長度表示煤粉運動速度的大小。模擬結果顯示，煤粉在彎管垂直段均勻上升，在拐彎處煤粉緊貼彎頭外側運動，且進入水平段后，在較短的距離內仍然緊貼彎管上部流動，這一現象解釋了噴吹罐彎管在彎頭外側容易磨損的原因，模擬結果與實際情況相符。為減緩煤粉對彎頭外側的磨損，建議在設計中將彎管豎直段適當延長，減小煤粉到達彎頭處的速度。

4 結語

本文建立了噴吹罐內煤粉流動的數學模型，通過對某煉鐵廠噴吹罐的模擬，得到以下主要結論：

（1）噴吹罐內煤粉在全罐流化以前就開始通過彎管輸送煤粉，且輸送的質量流量具有脈動特征；

（2）煤粉在通過彎管彎頭時，緊貼彎頭外側，對彎頭的沖擊力較大，解釋了實際生產中彎頭外側容易磨損的原因。

參考文獻

[1] 項鐘庸，王筱留.高爐設計—— 煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2] Wu K，Ding R C，Han Q，et al. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at Capital Steel Co[J].ISIJ Int，2010，50（3）：390.

[3] Gidaspow D.Multiphase flow and fluidization[M].San Diego： Academic Press，1994.endprint