基于顆粒動(dòng)力學(xué)的高爐風(fēng)口焦炭行為仿真研究

王 靖，楊廣慶，王震洲，王靜云

（1.唐山師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，河北唐山 063000；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063009；3.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；4.河北省紡織纖維玖仟質(zhì)量認(rèn)證咨詢中心，河北石家莊 050091）

焦炭在高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)、燃燒，形成爐料下降的空間，并產(chǎn)生煤氣，對(duì)爐缸反應(yīng)，爐料和煤氣運(yùn)動(dòng)以及爐內(nèi)熱交換、還原等物理化學(xué)過程，都有很大影響。但由于檢測(cè)手段和分析方法的限制，很難對(duì)高爐內(nèi)風(fēng)口回旋區(qū)的形狀、大小、流速、氣體成分等因素進(jìn)行直接測(cè)量和研究［1］。隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)值算法、計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，借助數(shù)值仿真技術(shù)研究風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)部狀態(tài)和規(guī)律已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前大部分風(fēng)口回旋區(qū)仿真模型集中在煤粉燃燒過程的模擬，對(duì)于回旋區(qū)中焦炭的運(yùn)動(dòng)、燃燒行為模擬較少。郭術(shù)義等［2］利用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX 對(duì)回旋區(qū)內(nèi)存在的焦炭熱解、焦炭燃燒、焦炭顆粒的軌道運(yùn)動(dòng)以及氣體湍流等過程進(jìn)行了數(shù)值模擬；顧明言等［3］利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT建立了三維風(fēng)口回旋區(qū)及焦炭燃燒模型；陳舉華課題組［4］假設(shè)風(fēng)口回旋區(qū)為一圓形空腔，編制計(jì)算程序開發(fā)了風(fēng)口回旋區(qū)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；張淑會(huì)課題組［5］采用歐拉多相流模型結(jié)合厄根方程，分析了回旋區(qū)內(nèi)氣體和焦炭顆粒的分布運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

顆粒動(dòng)力學(xué)理論（kinetic theory of granular flow，KTGF）是一種固相應(yīng)力的封閉方法，類比分子動(dòng)力學(xué)理論，建立了顆粒相的運(yùn)動(dòng)方程，提出“顆粒溫度（granular temperature）”的概念，顆粒溫度與氣體溫度的不同之處是：顆粒溫度是顆粒脈動(dòng)速度的量度，分子運(yùn)動(dòng)是由自身的溫度決定的，而顆粒運(yùn)動(dòng)是由外力或運(yùn)動(dòng)邊界驅(qū)動(dòng)的。分子碰撞不耗散能量，而顆粒碰撞有能量損失。類比分子動(dòng)力學(xué)的推導(dǎo)方式獲得顆粒相黏性、顆粒相壓力和顆粒擴(kuò)散系數(shù)等流體力學(xué)特性參數(shù)［6］。目前顆粒動(dòng)力學(xué)理論已廣泛應(yīng)用于氣力輸送、流態(tài)化反應(yīng)器的仿真模型研究［7－11］，應(yīng)用于風(fēng)口回旋區(qū)模型的研究則較少。本文將焦炭作為顆粒流選用雙流體模型結(jié)合顆粒動(dòng)力學(xué)理論，構(gòu)建風(fēng)口回旋區(qū)氣固兩相流模型，分析焦炭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和燃燒過程中氣體成分變化。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型假設(shè)

假設(shè)條件如下：

1）氣體為可壓縮理想流體；2）焦炭作為擬流體；3）顆粒內(nèi)部不存在溫度梯度；4）顆粒之間沒有破碎和結(jié)合；5）回旋區(qū)和焦炭區(qū)域不考慮液體流；6）不考慮未燃碳在回旋區(qū)邊界的聚集。

1.2 基本控制方程

根據(jù)多相流理論，采用Euler－Euler方法建立高爐風(fēng)口回旋區(qū)的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，模型中考慮氣固兩相的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)過程，同時(shí)考慮部分化學(xué)反應(yīng)的影響。

1）連續(xù)性方程

式中：g代表氣相；s代表顆粒相；αg代表氣體體積分?jǐn)?shù)；αs代表固體體積分?jǐn)?shù)。

2）動(dòng)量方程

式中：g代表重力加速度；τ代表應(yīng)力張量；Ksg和Kgs代表氣固相間動(dòng)量交換系數(shù)。

式中q代表s或g。

對(duì)于固相：

其中A＝α4.14g，B＝0.8α1.28g。

3）能量方程

式中：H代表總熱焓；hgs和hsg代表氣固相間換熱系數(shù)。

4）組分傳輸方程

式中：i代表第i中氣體組成（O2，CO，CO2）；Sct是湍流施密特?cái)?shù)（，其中μt是湍流黏度，Dt是湍流擴(kuò)散率）。

5）氣體湍流方程（標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型）

1.3 顆粒動(dòng)力學(xué)模型

式中：Θs代表顆粒溫度；ps代表顆粒相壓力；kΘs代表顆粒能量擴(kuò)散系數(shù)；γΘs代表碰撞能量耗散；φgs代表氣固相能量交換。

1.4 燃燒反應(yīng)模型

焦炭燃燒主要考慮以下2個(gè)反應(yīng)：

式中：a代表焦炭顆粒的比表面積；ρb代表焦炭顆粒的體積密度。

2 模擬條件

根據(jù)某廠1 750m3高爐的設(shè)計(jì)參數(shù)及相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)確定幾何模型及模擬條件。高爐為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取高爐的1／4作為模擬對(duì)象，并假設(shè)該部分只有一個(gè)風(fēng)口，如圖1所示。幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)約為30萬個(gè)。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation

焦炭加權(quán)粒度為45mm，形狀系數(shù)為0.8，焦炭層初始孔隙度為0.7，填充高爐下部區(qū)域。焦炭工業(yè)分析如表1所示，模擬條件如表2所示。

表1 焦炭工業(yè)分析Tab.1 Proximate analysis of coke

表2 模擬條件Tab.2 Simulated conditions

3 結(jié)果與討論

NOGAMI團(tuán)隊(duì)［12－14］采用歐拉多相流模型模擬了高爐內(nèi)物理化學(xué)過程，并建立了氣、液、固、粉等相間動(dòng)量、質(zhì)量、熱量等傳遞模式，成功預(yù)測(cè)了高爐內(nèi)溫度與成分的分布，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，直接驗(yàn)證風(fēng)口回旋區(qū)模型非常困難，但可以通過與NOGAMI團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果對(duì)比進(jìn)行間接驗(yàn)證。圖3a）為NOGAMI團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果，虛線為熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)風(fēng)口回旋區(qū)形狀，空腔為模擬的風(fēng)口回旋區(qū)形狀。圖3b）是本文模擬的風(fēng)口回旋區(qū)形狀。由圖3可以看出a）和b）兩圖中風(fēng)口回旋區(qū)形狀非常相似，都呈上翹的氣囊裝，說明了本文所采用的仿真模型是合理的。

圖3 風(fēng)口回旋區(qū)形狀比較Fig.3 Comparison of tuyere raceway shape

由于熱風(fēng)與焦炭之間的曳力以及焦炭燃燒，風(fēng)口回旋區(qū)出現(xiàn)空腔，但仍有少量焦炭存在。由圖3b）可以看出回旋區(qū)中心區(qū)域焦炭回旋速度很高，接近5m／s，說明焦炭在風(fēng)口回旋區(qū)進(jìn)行劇烈的回旋運(yùn)動(dòng)，不斷地碰撞、磨損。焦炭在風(fēng)口前端靠近爐墻處呈現(xiàn)渦旋狀運(yùn)動(dòng)，而其他部位未見明顯渦旋，說明焦炭主要從高爐邊緣滑落進(jìn)入風(fēng)口回旋區(qū)，這也間接證實(shí)了李文忠［15］分析風(fēng)口回旋區(qū)焦炭運(yùn)動(dòng)規(guī)律得出的結(jié)論“風(fēng)口前端回旋區(qū)外圍的環(huán)形帶是焦炭進(jìn)入回旋區(qū)的主要位置。”

圖4為NOGAMI團(tuán)隊(duì)［12－14］通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算獲得的風(fēng)口中心線上的煤氣成分變化，圖5是為本文經(jīng)過模型計(jì)算得到的風(fēng)口中心線上煤氣成分的變化。對(duì)比圖4和圖5可以看出兩圖中煤氣成分的變化趨勢(shì)是一致的，也說明了本文所采用的仿真模型是合理的。

由圖5中曲線可看出，熱風(fēng)從風(fēng)口噴入后，O2即與焦炭反應(yīng)生成CO2，所以O(shè)2濃度下降，而CO2濃度增加，而當(dāng)距離風(fēng)口115mm 處時(shí)，CO2濃度開始下降，因?yàn)榘l(fā)生溶損反應(yīng)C＋CO2→2CO，此時(shí)可看到生成物CO 濃度開始上升，直到距離風(fēng)口200.00mm 處，CO2消失，氣體成分不再發(fā)生變化。

圖4 風(fēng)口中心線上煤氣成分變化（NOGAMI團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果）Fig.4 Changes of gas composition in the tuyere center line（experiment results of NOGAMI team）

圖5 風(fēng)口中心線上煤氣成分變化（本文模型計(jì)算結(jié)果）Fig.5 Changes of gas composition in the tuyere center line（model calculation results of this paper）

4 結(jié) 論

1）應(yīng)用顆粒動(dòng)力學(xué)將焦炭顆粒視作擬流體，采用歐拉雙流體理論構(gòu)建了氣固兩相流風(fēng)口回旋區(qū)模型，經(jīng)驗(yàn)證該模型是正確的。由于焦炭和煤氣之間的曳力及焦炭燃燒，在風(fēng)口處形成上翹氣囊狀回旋區(qū)，焦炭在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)速度最大。

2）焦炭在風(fēng)口前端靠近爐墻處呈明顯的渦旋狀運(yùn)動(dòng)，說明風(fēng)口前端回旋區(qū)外圍的環(huán)形帶是焦炭進(jìn)入回旋區(qū)的主要位置。

3）O2濃度沿風(fēng)口中心線向爐內(nèi)逐漸降低，CO2濃度先增加后減小至零，CO 濃度逐漸增加至穩(wěn)定。

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