高爐料面結構對煤氣流分布影響的模擬

趙志堅，佘雪峰，趙奕喆，劉燕軍，王艾軍，李麗紅，薛慶國

（1.北京科技大學 鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100083；2.德龍鋼鐵有限公司煉鐵廠，河北 邢臺 054009）

高爐冶煉是一個連續的生產過程，爐料自上而下降落，與自下而上的煤氣流相遇接觸，并發生著復雜的物理化學反應.因此，高爐煤氣分布的合理與否是影響高爐順行、高爐經濟技術指標及高爐長壽的關鍵因素［1-3］.長期的高爐生產實踐表明，作為上部調節手段的裝料制度對高爐煤氣流分布具有重要作用.上部布料制度的調整會引起料面形狀、礦焦空隙度的變化［4］，改變煤氣流在塊狀帶的分布，影響塊狀帶爐料的預熱、還原，以及軟熔帶情況，最終保證高爐的長壽及穩定順行.合理的高爐料面不僅能夠促進煤氣流分布良好，還能提高煤氣利用率，達到節能減排的目的.

但由于高爐的封閉性和內部爐況的復雜性，無法直觀地獲取高爐實際運行狀況，這對研究高爐煤氣流的分布帶來了極大的困難.為了解決這類難題，冶金工作者們開發了多種數學模型［5-11］.與工業試驗和半工業試驗相比，高爐數學模型實施起來相對容易，耗費的人力、物力成本較低，并能得到高爐內部現象的細節性描述，有利于高爐的生產控制.當前已有煉鐵學者對此進行了大量詳細的研究.氣體阻力模型［7］的計算結果表明，軟熔層、礦石層及焦炭層三者之間的透氣性之比為1∶4∶52，同時強調了軟熔層和礦石層對煤氣運行阻力的重要影響.陳黔湘等［8］通過改變布料矩陣的溜槽角度研究其對料面形狀的影響，得到了布料矩陣的變化對高爐料面形狀的影響規律.李壯年等［9］通過研究“平臺＋漏斗”和“中心加焦”兩種布料模式下布料參數調整方式與煤氣流參數的關系，得出了大型高爐煤氣流控制方面的操作要點.高攀［10］采用數值模擬的方法對高爐內部料層進行簡化處理，分別計算了二維和三維高爐的煤氣流動情況和煤氣停留時間.黃建波等［11］通過二維數值模擬分析了寶鋼2號高爐“平臺＋漏斗”和“中心加焦”兩種布料模式對爐料透氣性、爐內壓差的影響.為了做出更詳細的定量分析，在之前學者研究的基礎上［7-14］，本文中通過建立三維數學模型，對高爐在不同料面結構下煤氣流的分布特征進行模擬研究，分析不同料面結構下高爐內煤氣流的分布規律，以期為高爐實際生產操作提供理論依據及參考.

1 數學模型的建立

1.1 模型的基本假設

在高爐冶煉過程中，爐內存在固相、液相、氣相及粉相，還涉及流動、傳熱傳質、多項化學反應等.因此，在構建模型時，會通過一些合理的假設進行簡化.這樣既能保證計算結果反應實際運行規律，又能減少計算工作量和提高工作效率.本模型的主要假設條件如下：①高爐內部煤氣流動為不可壓縮流動；②忽略化學反應和熱量傳輸對煤氣流的影響；③忽略料層的下降運動對煤氣流分布的影響；④不考慮礦石和焦炭體積變化的影響；⑤各風口面積及進氣量均相同；⑥忽略爐料下降過程中料面形狀的變化.

1.2 控制方程

模型涉及的控制方程有：連續性方程、動量方程、標準k-ε方程、示蹤劑組分傳輸方程及厄根方程.

連續性方程：

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；t為時間，s；為空氣矢量速度，m／s；Sm為廣義質量源項，該模型中值為0.

動量方程：

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；t為時間，s；為空氣矢量速度，m／s；μ為廣義黏度，Pa·s；Sv為廣義質量源項，該模型中值為0.

標準k-ε方程：

式中：μt為湍流黏度系數，Pa·s；Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，kg／（m·s3）；Gb為浮力影響引起的湍動能k的產生項，kg／（m·s3）；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響，kg／（m·s3）；σk為k對應的普朗特數，取1；σε為ε對應的普朗特數，取1.3；C1ε為經驗常數，取1.44；C2ε為經驗常數，取為1.92；C3ε為經驗常數，取0.09.

Ergun方程：

2 模擬條件

本文中的三維物理模型根據國內某煉鐵廠1 080 m3高爐的設計參數建立，物理模型的幾何尺寸及高爐的相關參數見表1.通過SolidWorks進行三維建模后，采用ANSYS ICEM CFD進行六面體網格劃分（見圖1），最后采用FLUENT軟件結合用戶自編程軟件Visual Studio進行模擬計算.

圖1 三維高爐網格劃分Fig.1 Three-dimensional blast furnace meshing

表1 高爐的基本參數Table 1 Basic parameters of blast furnace

在開始計算前，需要對高爐內不同空間區域的空隙度分布、黏性阻力和慣性阻為進行設定，此處采用用戶自編程C＋＋軟件進行編程帶入.計算的邊界條件如下：①速度入口，設置入口湍流強度和水力直徑，湍流強度取5%，水力直徑取風口直徑；②壓力出口，出口處指定壓強為表壓，大小200 kPa，設置出口湍流強度和水力直徑；③壁面處采用無滑移邊界條件；④其他條件使用FLUENT默認設置.

圖2為4種不同料面結構的研究方案及高爐中部分礦焦料層交替分布的示意圖.

圖2 不同料面傾角時爐料的分布情況Fig.2 Distribution of burdens with different dip angles

由于高爐內部爐料堆積的復雜性，焦炭層和礦石層的空隙度可由經驗公式（6）和（7）來確定：

在模型計算中，入爐焦炭的平均粒度dc取0.05 m，入爐礦石的平均粒度dk取0.035 m，可計算出礦石的空隙度為0.48，焦炭的空隙度為0.525.

3 結果與討論

3.1 高爐典形截面位置煤氣流分布

選取高爐風口截面做速度云圖，通過對比發現不同料面結構下的風口截面速度基本完全一致，因此選取“V”形料面傾角為30°的風口截面速度分布云圖為代表進行說明.從圖3（a）中可以看出，煤氣速度變化的跨度很大，在高爐內部中心區域煤氣速度遠遠小于風口處的煤氣速度.從圖3（b）中可看出：風口回旋區內的速度并非分布均勻，而是呈現出了一定的梯度特征.越接近高爐中心，煤氣速度越低，速度梯度主要集中體現在回旋區內部.

圖3 “V”形料面傾角為30°的風口截面速度分布云圖Fig.3 The velocity distribution nephogram of the air outlet section with the inclination angle of 30°of the“V”material surface

圖4為“V”形料面傾角為30°和“平臺＋漏斗”形料面高爐內煤氣流速度矢量的對比圖，圖5為“V”形料面傾角為30°和“平臺＋漏斗”形料面高爐內煤氣流動的跡線圖.從圖4和圖5中可以看出，煤氣流經滴落帶后繼續上升，受到了軟熔帶的阻擋，而軟熔帶內焦炭保持層狀橫向分布，這導致煤氣產生通過焦窗的橫向運動.但軟熔帶軟熔層的透氣性極差，且軟熔帶中的焦窗對煤氣的流動有一定導向作用.通過對比可以發現：在“V”形料面的條件下，煤氣流集中在高爐的中心，且在高爐爐喉處尤為明顯； 而“平臺＋漏斗”形料面在發展中心氣流的同時，邊緣氣流的速度分布比“V”形料面的速度分布更加均勻.

圖4 高爐內煤氣流速度矢量圖Fig.4 Vector diagram of gas flow velocity in blast furnace

圖5 煤氣流流動跡線圖Fig.5 Trace diagram of gas flow

3.2 不同高度橫截面上速度分布

為進一步了解高爐內煤氣流的分布狀態，對高爐內不同位置截面速度進行了監測，如圖6所示.在高爐高度方向，由下至上依次在風口、爐腰、爐身和爐喉下部取一典形位置截面進行測量；在高爐徑向方向，從高爐中心到邊緣等距取3個截面觀測不同徑向位置的煤氣流在高度上的分布變化情況.

圖6 高爐內煤氣流速監測面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the gas flow rate monitoring surface in the blast furnace

圖7為不同料面結構下高爐內不同高度截面的速度分布圖.從圖中可以看出，在高爐下部軟熔帶以下的位置，高爐邊緣的煤氣流速比中心的煤氣流速大.隨著高度的上升，煤氣進入塊狀帶后，受到礦焦料層分布的影響，此時高爐中心煤氣流速增大，中心氣流相對發展.

圖7 不同料面結構下高爐內不同高度截面速度分布Fig.7 Velocity distribution of different height sections in the blast furnace with different material surface structures

圖7（a）為風口截面處速度的徑向分布圖，其速度云圖見圖3.可以看出，煤氣流速在風口回旋區內呈現出明顯的遞減梯度特征，而在風口回旋區外急劇減小，且在高爐中心處幾乎不存在煤氣的流動，這是由于風口回旋區外側存在死料堆.此外，從圖中還可看出，在不同料面結構的風口截面上，速度的徑向分布情況變化不大，這是由于不同的料面結構主要改變的是塊狀帶料層的分布，對軟熔帶以下煤氣流分布情況的影響較小.

從圖7（b）中可以看出：此位置離軟熔帶近，速度突然變小的點正處于軟熔帶礦層位置，煤氣流速從邊緣到中心的變化不大；不同傾角的“V”形料面對爐腰附近煤氣流速的影響也無明顯規律，“平臺＋漏斗”形料面邊緣的煤氣流分布比不同傾角“V”形料面的煤氣流分布更均勻.

從圖7（c）中可以看出，煤氣流速隨著水平距離的變化呈小幅度波動狀態，而中心處煤氣流速已有大于邊緣煤氣流速的趨勢.此時煤氣流速的波動是由焦炭層和礦石層的交錯排布及堆角造成的，這種情況反應在圖上就是產生了許多速度轉折點［15］.同時可以看出，隨著“V”形料面傾角的增大，中心處煤氣流速也增大.

從圖7（d）中可以看出，在此位置處高爐中心處的煤氣流速大于邊緣的煤氣流速，即中心氣流明顯發展得更好.這是因為在“V”形料面下，受到料層堆角的影響，煤氣從塊狀帶流出后有向中心流動的趨勢，而兩側的煤氣在中心處匯集，使中心處的煤氣速度大于兩段的煤氣速度.隨著料面傾角的增大，煤氣的速度也明顯增大，當料面傾角由25°增加到35°，高爐爐頂煤氣流速由2.95 m／s增大到了3.87 m／s.但隨著煤氣流速的增大，煤氣在爐內的停留時間縮短，這不利于高爐間接還原的發展.同時，在“平臺＋漏斗”形料面下，此位置截面處高爐中心煤氣流速減小，邊緣煤氣流速增大，整體上煤氣流分布更加均勻.

3.3 不同徑向位置在高度上的速度分布

在高爐的徑向方向上由高爐中心到邊緣等距取3個截面（x＝0，1.2，2.4 m），觀測不同徑向位置的煤氣流在高度上的分布變化情況，結果如圖8所示.

圖8（a）為高爐中心線x＝0位置處高度方向上的煤氣流分布情況.由于風口回旋區外側死料堆的存在，高爐的底部爐缸內和風口回旋區外側靠近高爐中心的死料堆處幾乎不存在煤氣流的分布.當到達軟熔帶位置時，由于煤氣經過軟熔帶時都是從焦窗通過的，所以在礦層位置檢測不到煤氣流速，這一點是與實際情況相符合的.隨著高度繼續升至塊狀帶，煤氣流速隨高度的上升而逐漸增大，當到達爐料頂層時速度達到最大，而進入爐喉之后煤氣會向四周擴散，高爐中心的煤氣流速相對降低.

圖8 不同徑向位置高度方向上煤氣流速度分布Fig.8 Distribution of gas flow velocity in different radial position heights

從圖8（a）中還可以看出：在高爐中心線高度處，高爐爐料內部“V”形料面和“平臺＋漏斗”形料面的煤氣流速度相差不大；而在料層頂部“平臺＋漏斗”的煤氣流速明顯小于“V”形料面在頂部的煤氣流速.圖8（b）為高爐中心線x＝1.2 m位置處高度方向上的煤氣流分布情況.在此截面上，隨著高度的上升，煤氣流速逐漸增大，但不同料面結構的煤氣流分布差異并不明顯.圖8（c）為高爐中心線x＝2.4 m位置處高度方向上的煤氣流分布情況.可以看出，此位置屬于高爐邊緣，邊緣煤氣流速隨高度的上升而增大，且在高爐料層頂部位置，“平臺＋漏斗”形料面煤氣流的速度要高于“V”形料面的煤氣流速.

4 結 論

（1）“V”形料面和“平臺＋漏斗”形料面均是發展中心氣流的料面結構.當“V”形料面傾角為30°時，爐頂的最高速度為3.05 m／s，而“平臺＋漏斗”形料面爐頂的最高速度為2.15 m／s.比較而言，“V”形料面更有利于發展中心氣流.

（2）在“V”形料面下，當料面傾角由25°增加到35°時，高爐爐頂煤氣流速由2.95 m／s增大到了3.87 m／s，而隨著煤氣流速的增大，煤氣在爐內的停留時間縮短，這將不利于高爐間接還原的發展.因此，在本研究條件下，選擇25°料面傾角.

（3）與“V”形料面相比，“平臺＋漏斗”形料面高爐中心煤氣流速減小，邊緣煤氣流速增大.在“平臺＋漏斗”形料面的爐頂截面上，最高速度與最低速度相差1.2 m／s；而在傾角30°的“V”形料面的爐頂截面上，最高速度與最低速度相差2.116 m／s.可見“平臺＋漏斗”形料面的煤氣流分布更加均勻，更有利于高爐內爐料的還原.