太鋼4 350 m3高爐熱風(fēng)爐煙囪及管道氣流分布的數(shù)值模擬

王兆輝

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鐵廠， 山西　太原　030003）

試（實）驗研究

太鋼4 350 m3高爐熱風(fēng)爐煙囪及管道氣流分布的數(shù)值模擬

王兆輝

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鐵廠， 山西太原030003）

在煤氣最大流量為150 000 m3/h的條件下，利用FLUENT前處理軟件對太鋼4 350 m3高爐熱風(fēng)爐煙囪及部分管路建立中間包三維幾何模型并劃分網(wǎng)格，采用SIMPLE算法對煙囪及管道氣流分布的數(shù)值進行模擬計算。由分析模擬結(jié)果可知：通入空氣后煤氣濃度被稀釋，煤氣管道與空氣管道交匯處煤氣含量處于理論爆炸煤氣濃度范圍，存在爆炸可能，煤氣和空氣的混合氣體進入熱風(fēng)爐煙囪后部分區(qū)域內(nèi)煤氣濃度達到爆炸濃度范圍。

熱風(fēng)爐煙道及煙囪氣流分布數(shù)值模擬安全性分析火源

煉鐵廠高爐及熱風(fēng)爐屬高壓高危設(shè)備，廠內(nèi)對于熱風(fēng)爐的檢查是日常工作的重中之重。太鋼4 350 m3高爐于2006年開爐，有4座新日鐵式外燃式熱風(fēng)爐，運行至今已有10年之余。針對太鋼近些年熱風(fēng)爐事故頻發(fā)的狀況，分析熱風(fēng)爐事故原因，對熱風(fēng)爐煙囪及煙道的氣流分布進行數(shù)值模擬。

1　計算模型

太鋼4 350 m3高爐熱風(fēng)爐煙囪及部分管路三維幾何模型如圖1所示，熱風(fēng)爐空氣管道長70 m，直徑5 m，煤氣管道長10 m，直徑5 m，二者在距熱風(fēng)爐煙囪5 m處交匯，之后匯總進入熱風(fēng)爐煙囪。熱風(fēng)爐煙囪高80 m，頂部內(nèi)徑7 m，底部內(nèi)徑11 m。其中空氣階段性供應(yīng)，6 min內(nèi)供應(yīng)空氣2 100 m3，煤氣持續(xù)供應(yīng)。已知煤氣的爆炸極限范圍為40%～70%，問煤氣流量在什么范圍內(nèi)能達到爆炸極限。煤氣的最大流量為150 000 m3/h。

圖1　熱風(fēng)爐煙囪及管道系統(tǒng)

2　計算方法

利用FLUENT前處理軟件建立中間包三維幾何模型，并劃分網(wǎng)格，空氣管道網(wǎng)格尺寸為20 cm，煤氣管道網(wǎng)格尺寸為15 cm，煙囪網(wǎng)格尺寸為25 cm，體網(wǎng)格總數(shù)被控制在100萬個左右，網(wǎng)格扭曲度小于0.8。將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件中激活物理模型，設(shè)置邊界條件。煤氣管道入口速度為0.297 m/s，空氣管道入口速度為0.297 m/s，煙囪出口壓力為1.01×105Pa，煤氣密度為1.183 kg/m3，煤氣黏度為1.488×10-3Pa·s，空氣密度為1.225kg/m3，空氣黏度為1.789×10-3Pa·s，擴散系數(shù)為2.0×10-5m2/s，重力加速度為9.8 m/s2，方向沿Z軸負向。流場計算采用SIMPLE算法，收斂標準為各控制方程殘差小于1.0×10-4，先迭代得到穩(wěn)態(tài)流場，在此基礎(chǔ)上采用組分輸運模型模擬煙囪管道系統(tǒng)中空氣和煤氣的擴散。本模擬主要計算在煤氣持續(xù)供應(yīng)條件下，空氣管道開始供氣的360 s內(nèi)煙囪及其管道系統(tǒng)內(nèi)的煤氣濃度分布狀況。

3　計算結(jié)果及討論

模擬得到的煙囪X=0截面（煙囪中心截面）上和Y=0截面（煙囪及空氣管道中心截面）上煤氣體積分數(shù)隨時間的變化情況如下頁圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，在0～360 s內(nèi)，煙囪X=0截面上煤氣最大含量（體積分數(shù)）為100%，而最小值在16.8%～100%之間。一般認為，煤氣的爆炸極限在40%～70%之間，因此，在0～360 s內(nèi)煙囪X=0截面上煤氣濃度處于爆炸濃度范圍。

而由圖3可以看出，在0～360 s內(nèi)，煙囪Y=0截面上煤氣最大含量（體積分數(shù)）為100%，而最小含量為0～2.6%之間。其CO濃度值（CO體積分數(shù)）顯然處于爆炸極限在40%～70%之間，因此，在0～360 s內(nèi)煙囪Y=0截面上煤氣濃度分布處于爆炸范圍。

圖2　不同時刻煙囪X=0截面上煤氣濃度分布情況

圖3　不同時刻煙囪Y=0截面上煤氣濃度分布情況

當(dāng)供氣360 s時，煙囪及其管道系統(tǒng)各中心截面上煤氣濃度分布云圖如圖4—圖6所示。

圖4　供氣360 s時煙囪X=0（煙囪中心截面）截面CO濃度分布

由圖4可以看出，供氣360 s時煙囪中心截面上的煤氣分布特點，該截面上煤氣濃度（體積分數(shù)）為23%～95%。可見煙囪內(nèi)該截面上的煤氣濃度處于爆炸極限濃度范圍。

而由圖5可以看出，煙囪和空氣管道中心截面上煤氣濃度（體積分數(shù)）在6%～94%。可見該截面上煤氣濃度分布處于爆炸極限范圍。

圖5　供氣360 s時煙囪Y=0截面（煙囪和空氣管道中心截面）CO濃度分布

圖6　供氣360 s時煙囪Z=0截面（煤氣和空氣管道中心截面）CO濃度分布

進一步由圖6可以看出，煤氣和空氣管道中心截面上煤氣的濃度（體積分數(shù)）在6%～94%，煤氣管道及煙囪內(nèi)煤氣濃度較高，而空氣內(nèi)及空氣與煤氣管道交匯處附近煤氣濃度較低。可見空氣管道和煤氣管道交匯處煤氣濃度處于爆炸極限濃度范圍之內(nèi)。

從圖4—圖6可以推斷，當(dāng)空氣管道內(nèi)開始供氣后，空氣管道和煤氣管道交匯處的煤氣由于受到空氣的稀釋，其濃度最先達到爆炸極限范圍，因此從數(shù)值模擬角度講，在上述工況下，煙囪及管路系統(tǒng)內(nèi)存在爆炸的可能性。

事實上，雖然這次計算為了探索煤氣流量在什么范圍內(nèi)能達到爆炸極限，將煤氣的流量調(diào)小至與空氣流量相同，但是在小流量的情況下管道中CO含量依然處于爆炸極限。結(jié)合幾何模型可以發(fā)現(xiàn)，在這樣的供氣方式下，在空氣和煤氣相遇的管道處總是可以達到爆炸極限，因為在兩種氣體混合處，必然存在著濃度逐漸變化的區(qū)域，而這個區(qū)域總是處在爆炸極限范圍內(nèi)，因此存在爆炸的可能。

4　結(jié)論

1）通入空氣后煤氣濃度被稀釋，煤氣管道與空氣管道交匯處煤氣含量處于理論爆炸煤氣濃度范圍，存在爆炸可能，煤氣和空氣的混合氣體進入熱風(fēng)爐煙囪后部分區(qū)域內(nèi)煤氣濃度達到爆炸濃度范圍。

2）從模擬角度講，該工況下熱風(fēng)爐管道及煙囪內(nèi)均存在發(fā)生爆炸的可能。所以，在熱風(fēng)爐區(qū)域，尤其是煙道三岔口位置嚴禁有火源，必須在該位置安裝煤氣濃度檢測儀。

（編輯：胡玉香）

Numerical Simulation for the Distribution of the Airflow in the Internal Combustion Hot Blast Stove of 4 350 m3Blast Furnace Made in Taigang

WANG Zhaohui
（Ironmaking Plant of Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003）

Under the circumstance of maximum airflow of 150 000 m3/h，the tundish 3D geometric model for 4 350 m3internal combustion hot blast was built by FLUENT pre-processing software，and numerical simulation was built by using SIMPLE.The results show that the gas concentration was diluted after passing into the air，gas pipe and air pipe gas content in the theory of explosion gas concentration was in the range with explosion，gas and air mixture into the hot blast stove chimney after partial area gas concentration reached the explosion concentration range.

airflow in the internal combustion hot blast stove of blast furnace，numerical simulation，safety analysis，combustion source

TF543.2；TB115

A

1672-1152（2016）04-0013-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.05

2016-07-15

王兆輝（1986—），男，現(xiàn)于太鋼煉鐵廠5號高爐作業(yè)區(qū)從事煉鐵技術(shù)管理工作，助理工程師。