高爐回旋區運動現象的數值模擬

孫俊杰 畢傳光 陳 晨 張奧凱

(上海梅山鋼鐵股份有限公司)

高爐回旋區運動現象的數值模擬

孫俊杰 畢傳光 陳 晨 張奧凱

(上海梅山鋼鐵股份有限公司)

風口回旋區是高爐內產生還原氣體及熱量的主要區域，顆粒相和氣相在風口回旋區內的相互作用非常劇烈。回旋區的形狀和大小決定了爐內煤氣流的一次分布，是爐況順行的基礎。本文為了從顆粒尺度來描述回旋區內部氣體和顆粒的運動行為，建立和發展了離散單元法和流體計算力學耦合模型。耦合模型考慮了多個相間力的作用(包括曳力、虛假質量力、升力和壓力梯度力)，得到了不同時刻風口前焦炭顆粒的分布圖、體積分數云圖、速度矢量圖等。這些圖表明在鼓風速度130 m/s時，風口前有顆粒被吹開，形成了明顯的空腔，風口前及其附近區域的顆粒在做回旋運動，可以斷定回旋區已經形成，且在6 s時風口回旋區達到穩定。

高爐 風口回旋區 數值模擬 離散單元法

0 前言

高爐煉鐵過程中，從爐頂分批次的裝入鐵礦石、焦炭和熔劑，從風口鼓入高速熱風，在風口前形成回旋區。高爐的風口回旋區是一個強烈的氣固兩相流動(氣體速度超過200 m/s)以及熱量交換(溫度超過2 000 ℃)區域，其內氣體和顆粒的運動決定了還原氣體的初始分布，有必要對回旋區內部氣體和固體顆粒的運動現象做些研究。

基于離散單元法(Discrete Element Method, DEM)[1, 2]和CFD[3]的耦合模型目前被廣泛應用于顆粒-流體的研究計算，這種模型能夠描述存在流體和固體顆粒相互作用的過程工藝，包括流態化、氣力輸送、高爐煉鐵、旋風分離器等。高爐數學模型的最新研究成果大多趨向于DEM-CFD數學模型[4, 5]。在DEM-CFD方法中，采用CFD方法對流體部分進行計算，采用DEM方法對顆粒部分進行求解，將兩者耦合即可解決流-固兩相流動的數值仿真[6]。

Zhu等[7]回顧了前人對離散單元及相關領域的研究，總結了文獻中出現的顆粒之間的作用力、耦合DEM和CFD時使用的相間力和兩個模型的耦合方法，分析了各個相間力的使用范圍和優劣，詳細的闡述了DEM和CFD耦合時的步驟。

Zhou等[8]建立了僅把曳力作為相間力的DEM-CFD耦合模型，對高爐復雜的瞬變現象做了初步的模擬，分析了鼓風氣體流量對回旋區處顆粒速度和所受力的影響。

Natsui等[9]建立了三維的DEM-CFD耦合模型，在風口前畫出一個圓形的區域作為固定的回旋區，焦炭顆粒在進入此圓形區域后消失，此方法目前被很多研究者用于風口回旋區的研究，可以看出實現回旋區內顆粒運動的數值模擬是很困難的。

2012年Hilton等[10]使用DEM-CFD耦合模型在不同氣體噴吹速度、不同顆粒形狀、不同床層結構條件下對回旋區進行了研究，盡管得到了回旋區處的空腔，但并沒有得到顆粒運動的回旋趨勢。

從以上文獻可以看出，大部分的研究者在研究高爐或者熔化氣化爐時都是人為的規定一個球形或者橢球形的區域作為回旋區的邊界，此回旋區并不是計算得到的。這是由于DEM-CFD耦合模型在高爐或者熔化氣化爐的應用還在初步發展階段，很多的耦合模型只考慮曳力的影響，未考慮其它的相間力，比如虛假質量力、升力、壓力梯度力等。

本研究根據實際的高爐尺寸同比例縮放建立了高爐回旋區三維DEM-CFD數值模型，充分考慮氣固相互作用時的多個相間力，對高爐風口回旋區內焦炭顆粒運動情況進行計算和分析。

1 數值模型描述

1.1 顆粒相和氣相控制方程

回旋區附近焦炭視為離散相，采用DEM計算，顆粒的平動和轉動用牛頓第二運動定律描述[1]，

midvidt=Σkij=1(Fc,ij+Fd,ij)+Fg+Fp-f,i

(1)

Iidω1dt=Σkij=1Tij

(2)

式(1)，(2)中，mi，Ii，vi和ωi分別代表顆粒i的質量(kg)、轉動慣量(kg·m2)、平動速度(m·s-1)和轉動速度(r·s-1)；Fg代表i顆粒的重力(N)，且；Fc,ij、Fd,ij和Ti,j分別為顆粒i和j間的接觸力(N)、阻尼力(N)以及轉矩(N·m)；t為時間(s)。當顆粒i與ki個顆粒同時接觸時，其所受顆粒間的作用力和力矩矢量需要疊加在一起，Fp-f,i是顆粒和氣體的相間力(N)，是顆粒相和氣體相互作用力的合力[11, 12]。

氣體作為連續相，采用類似于傳統雙流體模型方法進行描述。在與顆粒相互作用的情況下，其動量方程和能量方程的公式需要加入密度的修正[13, 14]，考慮到顆粒體積分數的影響，結合N-S方程[15, 16]，本耦合模型的連續相控制方程表達式如下，

?(ρfα)?t+▽·(ρfαμ)=0

(3)

?(ρfαμ)?t+▽·(ρfα1μμ)=-▽P-Fp-f+ ▽·(ατ)+ρfα g

(4)

式(3)， (4)中，ρf、μ和P分別表示氣體密度(kg·m-3)、速度(m·s-1)和壓力(N)；τ、α和Fp-f分別為氣體應力張量(Pa)、氣相的體積分數(-)以及顆粒和氣體間的體積作用力(N)。 氣體應力張量τ可由下式得到[17]，

τ=μm[(▽u+▽uT)-23▽u]

(5)

式(5)中，μm為湍流有效黏度(Pa·s)，由標準k-ε雙方程模型得到。

1.2 相間力和耦合步驟

本模型中兩相流動的主要特征就是顆粒與流體的速度不相等，存在相互作用力，即相間力。相間力是顆粒相和氣相耦合計算的主要銜接點，根據相互作用力的機理不同，相間力一般是曳力、壓力梯度力、虛假質量力、升力等力的合力[18, 19]，

Fp-f,i=Fd+Fvm+FL+Fp

(6)

式(6)中，Fd為曳力(N)，Fvm為虛假質量力(N)，FL為升力(N)，FP為壓力梯度力(N)。

相間力對連續相和離散相來說是一對作用力與反作用力，對離散相其體現的最小單元是每個顆粒，即連續相對每個顆粒的相間力都能計算出來；對連續相其體現的最小單元是一個計算網格單元，往往是多個顆粒對計算網格單元的合作用力。在整個耦合模型計算中，DEM用來計算每個顆粒的運動，記錄顆粒運動信息和顆粒所在位置；CFD用來計算連續相的運動信息，并在遠大于顆粒尺寸的計算網格中進行計算，利用Fluent提供的用戶自定義函數UDF實現顆粒相與氣相的耦合，計算流程如圖1所示。

圖1 顆粒相和氣相耦合計算流程圖

Fig.1 Coupled calculation flow chart for particle phase and gas phase

離散相的邊界條件：顆粒和壁面的接觸力采用計算顆粒-顆粒間作用的力學模型計算，但壁面受力不會變形，且壁面不會因為顆粒和壁面相互碰撞而移動。

連續相的邊界條件：入口處設為速度入口邊界條件；出口處設為壓力出口邊界條件；墻壁處設為無滑移邊界。

1.3 模型參數

本研究根據實際的爐型，對模型尺寸做了如下簡化：

(1) 在橫向和縱向方向按照1:30的比例建立模型的幾何尺寸，在厚度方向僅僅考慮9層顆粒的厚度，即0.09 m；

(2)設置一個風口，考慮到計算孔隙度的需要，風口形狀為0.03 m×0.03 m的矩形，此風口作為連續相計算時的速度入口；

(3) 在頂部區域設置一個出口，此出口作為連續相計算時的氣體出口；

(4) 其它邊界都作為墻。

模型的形狀、大小和連續相計算網格劃分情況如圖2所示。

圖2 模型尺寸和網格結構

Fig.2 Profile and cell structure of model

高爐風口回旋區附近的顆粒主要是焦炭，模型中的離散相就是模擬這種顆粒，根據現場的數據，本模型選用直徑0.01 m的球形顆粒來模擬焦炭，模型中的主要參數見表1。

表1 模擬計算參數

3 模擬結果

模型的初始化是計算的第一步，其包括離散相計算的初始化和連續相計算的初始化，離散相的初始化主要是每個顆粒的所受力、運動速度和位置，連續相的初始化主要是流場的各個參數如圖3所示。

圖3 初始顆粒堆積結構和顆粒體積分數云圖

Fig.3 Initial bed configuration and particle phase volume fraction

從圖3可以看出，18 000個顆粒在高爐中堆積到0.42 m的高度，右圖是顆粒相的體積分數云圖，從圖中亦可以看出頂部顆粒堆積的不穩定現象，還可以看出顆粒的體積分數分布并不均勻，這是由于網格尺寸比顆粒粒徑大的有限，顆粒又是隨機堆積，顆粒之間的空隙大小并不一樣。

顆粒堆積完成后就可以調用CFD模塊來耦合計算，為了看到空腔的內部，這里對爐子在y方向進行了切片操作，不同時間顆粒運動情況如圖4所示。

圖4 不同時刻顆粒在切片0.03 m

Fig. 4 Particles motion structure in 0.03 m

從圖4中可以看出風口前有顆粒被吹開，且顆粒速度不同，風口前形成了一個空腔，2 s時空腔的深度較小，4 s時的空腔深度有一定的增加，6 s時達到穩定。

顆粒的體積分數能夠清晰的描述風口回旋區的界線，根據前面的計算方法，顆粒體積分數云圖如圖5所示。

圖5 不同時刻顆粒體積分數云圖

Fig. 5 Particle phase volume fraction at different instants of time

從圖5可以看出顆粒體積分數隨著遠離風口是不斷增大的，且風口前的空腔隨著時間在逐漸增大，直到6 s時趨于穩定。

為了更清楚的得到焦炭的運動情況，不同時刻焦炭顆粒的速度矢量如圖6所示。

圖6 不同時刻風口前及其附近顆粒速度矢量圖

Fig. 6 Partilces velocity fields at different instants of time

圖6中的箭頭長度代表顆粒速度大小，箭頭長度的標尺在圖的右邊?？梢钥闯?，風口前及其附近區域的顆粒在做回旋運動，且速度較大，而遠離風口前的其它區域顆粒速度較小，結合圖4和5得到的結論可以斷定，風口回旋區在風口前已經形成，從圖中還可以看出4 s、6 s和8 s時刻做回旋運動的顆粒數要大于2 s時刻。

4 結論

本文根據實際的高爐尺寸同比例縮放建立了高爐回旋區三維DEM-CFD數值模型，得到如下主要結論。

(1)應用DEM-CFD耦合模型，對高爐風口回旋區內焦炭顆粒的運動情況進行了數值模擬，得到了不同時刻風口前焦炭顆粒的分布圖、體積分數云圖、粒徑分布圖、速度矢量圖等；

(2)在鼓風速度130 m/s時，風口有顆粒被吹開，風口前形成了明顯的空腔，風口前及其附近區域的顆粒在做回旋運動?？梢詳喽?，風口回旋區在風口前已經形成，且在6 s時風口回旋區的形成已經穩定。

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NUMERICAL SIMULATION OF RACEWAY PHENOMENA IN A BLAST FURNACE

Sun Junjie Bi Chuanguang Chen Chen Zhang Aokai

(Shanghai Meishan Iron and Steel Co., Ltd.)

The gas phase and particle phase interact very violently in blast furnace (BF)raceway which plays a very important role in ironmaking processes and is also the basis of smooth operation of the furnaces. For better describing the particle and gas behaviors in a raceway, a coupled simulation approach of discrete element method (DEM) and computational fluid dynamics (CFD) has been successfully developed to study the gas-solid flow in fluidization at a particle scale in this paper .In this work, the multiple particle-gas interaction forces (including drag force, virtual mass force, lift force and pressure gradient force) are considered. Then, the particles motion, particle phase volume fraction, velocity vector fields of particles, velocity vector fields of gas phase and scalar velocity contours of particles in front of tuyere are described by the coupled DEM-CFD model when the blowing velocicy is 130 m/s. The result shows a stable cavity is formed in front of the tuyere, and some particles make circular cyclotron motion in this cavity which can be defined as raceway. The particles motion of raceway achieves stability when the blowing time is 6 s.

blast furnace raceway numerical simulation DEM

2016-10-28

*聯系人：孫俊杰，江蘇.南京(210039), 上海梅山鋼鐵股份有限公司技術中心;