加焦方式对气化炉内气流分布的影响

第15卷第1期材料与冶金学报Vol. 15 No. 12016年3月Journal of Materials and MetallurgyMarch 2016doi: 10. 14186/j. cnki. 1671 - 6620.2016. 01. 003加焦方式对气化炉内气流分布的影响李海峰，游洋， 韩立浩，罗志国，蔡九菊，邹宗树(东北大学材料与冶金学院，沈阳110819 )摘要:布料模式决定 了料床的空隙度，而料床的空隙度分布决定了煤气流的二次分布.本文建立了研究三维气化炉炉料结构和煤气流分布的物理模型和数学模型，物理模型采用热电偶测温的方法，从炉内气体温度分布信息考察了气体的流动情况，由于物理实验无法获得内部空隙度分布信息，故基于离散单元法模型，以Fluent软件为载体，利用多孔介质模型并加入用户自定义函数,通过数学模型进一步研究了不同加焦方式下气化炉内煤气流分布的影响机理，获得了气化炉内煤气的速度场和流线.物理模拟与数值模拟结果相吻合.通过模拟计算获得的非均匀床层内气体流动规律的认识对COREX气化炉加焦工艺有借鉴意义.关键词: COREX熔化气化炉;煤气流分布;加焦模式;物理模拟;数值模拟中图分类号: TF 557文献标识码: A文章编号: 1671-6620( 2016 )01-0012-08Influence of coke charging patterns on the gas flowdistribution in COREX melter gasifierLi Haifeng, You Yang, Han Lihao, Luo Zhiguo, Cai Jiuju, Zou Zongshu( School of Materials & Metallurgy，Northeasterm University, Shenyang 110819, China )Abstract: Charging mode determines the burden voidage which directly afects the second distribution of the gas flow.In this paper, a 3D mathematical model and physical model for gas flow was etablished to simulate the gas flowdistribution under diferent coke charging patterns in COREX melter gasifier. An experiment for measuring the gastemperature with a thermocouple was carried out, which can be used to analyse the distribution information of the gasflow. The physical model was umable to gain the internal porosity. Based on the discrete element method ( DEM ),Fluent software and porous media method, Gas velocity vectors, streamlines were obtained. The results showed thatthe voidage distribution causedIy coke charging patterns in the charging process has a significant effect on the gas flowdistribution. The simulation results are in good agreement with those obtained by experiment. The authors believe thatthe gas flow paths above are available for coke charging patterns in COREX melter gasifier.Key words: COREX melter gasifer; gas flow distribution; coke charging patterns; physical simulation; .numerical simulationCOREX熔融还原法是奧钢联开发的非焦炼而料床的空隙度由炉料的布料模式及炉料运动行铁技术,也是第--个实现工业化的熔融还原技术.为决定.通过COREX熔融还原炼铁将作为钢铁企业的前本文根据气化炉布料模式3.41以及借鉴前人道工序,为炼钢工序生产铁水1.21. COREX熔融关于高炉布料研究方法5-71的文献,对不同加焦还原装置主体分为上下两部分，上部的预还原竖方式下可能形成的料床结构进行研究分析.加焦炉和下部的熔化气化炉.其中下部的熔化气化炉方式分为三种,即均匀混合、中心区域加焦、中间内的煤气流分布从形成到排出炉外经过了两次分区域加焦.其中,均匀混合是目前COREX熔化气布.在风口处回旋区内,由鼓人的氧气与半焦燃烧化官四用的种车州充士,炉料混合均匀是与高.生成高温气体,形成了煤气流的初始分布;煤气流中国煤化工的地方,故其炉内煤气经料床至排出炉外为其第二次分布,料床内炉料THCNMH Gp流别，网》床发展式.在实际的高炉生产构成的空隙度分布决定着煤气流的第二次分布，中,时常会采用中心加焦或中间加焦的方式来调收稿日期: 2015-05-11.基金项目:国家科技支撑计划项目( 2011BAE04B01，2011BAE04B02 );国家自然科学基金资助项目( 51104037 ).作者简介:李海峰( 1982-)，男，博士，E - mail: lihtf@ smm. neu. edu. cn.第1期李海峰等:加焦方式对气化炉内气流分布的影响节煤气流分布,这种方式可促使煤气合理分布,以加焦量与中心加焦量-致.达到提高煤气利用率的目标.然而此布料方式(中心加焦、中间加焦的布料模式)在熔化气化炉并未采用,其对煤气流分布影响的研究文献尚少.故本文首次提出在熔化气化炉内使用中心或中间加焦的方式调节炉内煤气流分布状况,通过物理E模型和数学模型相结合的方法,考察了不同加焦方式对气化炉内煤气流分布的影响程度.11.1物理模型建立首先在实验室搭建了熔化气化炉物理模拟实验装置,如图1所示.该装置以宝钢COREX3000原型,按照30:1进行缩小的三维扁平模型，其中图1实验装 置示意图模型本体为不锈钢结构,模型厚度为100mm;主Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus体两侧各有两个风口由侧壁插人,向下倾角1-熔化气化炉模型; 2- -温度变送器; 3-工控机; 4- -风口;5-炉缸底部机械传动机构;6- -炉底挡板; 7-热电偶; 8一气4(。),深人炉内2mm;实验物料由模型顶部加体分配器;9-热风机; 10- -流量计; 11-鼓风机人.采用3 mm的玉米粒子模拟块煤(或焦炭)和3 mm的石蜡粒子模拟DRI.由风口处鼓人热风并2数学模型建立通过调节螺旋排料器排料,转速控制排料量,模拟焦炭燃烧过程.为了观察物料的运动及熔化过程,2.1离散单元模型及 模型参数选取正面采用可视化的钢化玻璃面板,同时在背面开离散单元法12适用于模拟散体物料的运动，有196个温度采集孔,以便测量炉内气体温度分通过对每一-个颗粒进行受力分析,获得颗粒的运.布信息.经前人文献[ 8-11 ]调研,在进行常温实动行为.模型中颗粒与颗粒发生碰撞时的作用力验时,通常采用压力传感器测定压力场.在高温实如图2所示,其中颗粒i、颗粒j均受到两种力和验时,因模拟物料石蜡熔化会堵塞压力传感器的两种力矩的作用.作用力包括颗粒自身重力、颗粒测量孔,导致无法测量,因此,本实验通过测定床-颗粒或颗粒-壁面之间的接触力.力矩包括切层温度场来间接反映煤气流动的信息.另外,由于向力矩和滚动摩擦力矩.根据牛顿第二二定律,可获气体与温度探头是全接触,而颗粒与温度探头为得颗粒的运动方程,公式如下:点接触,因此本文认为所测得的温度场为气体温度场.为保证炉体的保温效果,减轻壁面带来的影m,dv;/dl = Z(Fnij + Fim.ij + FPa.j + F.i)响,观察面板采用两层钢化玻璃结构,除观察面板+ m;g(1)外，炉体周围覆盖保温材料.当气体由风口鼓人后,在炉内进行二次分布,I,do:/dt = E(T; + M;)(2)由于装置背面的热电偶在模型内部与颗粒为点接式中涉及的符号意义及颗粒间或颗粒与壁面间的触,周围主要被鼓人的气体围绕,故热电偶测得的接 触力及力矩的计算公式见文献[ 13 ].数据可看作为是颗粒周围气体的温度.考虑到炉实验室具备IBM P55A工作站,其计算能力内气体温度变化大致可反映出炉内气流分布状上限为50万颗粒,并不能完成工业尺度数量级计况,所以采用热电偶测得的温度值来间接分析炉算.因此,为简化计算,并根据B. Wright 等14)的内气流分布状况.研究,本文将气化炉实际几何尺寸按1:30缩小,所谓加焦就是借助从炉顶向炉内另外添加少并取其3D扁平模型进行计算,风口回旋区假设量焦炭以形成焦柱,用于减小炉内狭小范围内的中国煤化工图3所示.表1给出了矿焦比,使其料柱透气性改善,从而通过更多气|Y片CNMHG动DEM模型的模拟流.本文模拟的焦炭加入量参考高炉中心加焦量,条件.中心加焦宽度选择为3 cm,经过炉型体积计算，得到中心加焦量占加焦总量的8.7%;因高炉中暂无中间区域加入焦炭的研究,故本文中间区域材料与冶金学报第15卷2.2煤气流分 布的流体力学模型及边界条件颗粒iFxi在建立流体力学模型过程中,为减少模型复1FN杂性，作了如下简化和假设:TgR(1)炉内化学反应状态已达到稳态,风口回旋区内只有气体流动;mig(2)填充床、软熔区及半焦床等各区域间的颗粒j分界线明确,数据均来自物理实验结果[15].连续性方程P+ V .(p)-s。(3)动量守恒方程(ρi)+ V .(ρ0)=V .( μgradi)+S, (4)湍流方程图2颗粒间的受力分析图.Fig.2 Schematic diagram of forces in two particles?(pk)+V .(pki)= V .[(μ+丛)gradk ]+Gk +G,-pε-Y +Sk(5)440 .单位:mma°(ρ8)+ V●(p80)= V●[(μ +)grade ]↑100，100+Cr。+=(G +C32G,)-C2p+S。(6)K本模拟研究使用Ergun方程160]来推导多孔.介质中气流的黏性和惯性阻力损失系数.vp_ 150μ(1-e),+ 1.75p(1-8),(7 )520每一方向上的黏性阻力损失系数和惯性阻力|R=20损失系数为160D3(8)150( 1 -ε)3.5(1 -e)C2=D。 。图3计算几何 区域式(3)~(9 )中涉及的符号意义见文献[ 17].Fig. 3 Computation geometry通过以上控制方程和假设,建立了气化炉内表1炉料物理 性质和模拟计算条件煤气流分布的三维数学模型,方程求解借助商业Table 1 Physical properties of burden and软件FLUENT,采用SIMPLE算法求解，方程的离simulated conditions散采用一阶迎风格式,收敛准则残差小于1 x参数DRI焦炭10-*.采用ANSYS ICEM对气化炉模型进行网格.直径/mm划分,网格类型为四面体结构性网格,采用Map颗粒数5 33310 666 .方法划分,为了使模拟结果更加准确,对气体人剪切模量/Pa1 x1072.16x 10°口一风口处的网格进行了加密处理.模型计算区泊松比0.50中国煤化工、软熔区域、半焦床、回恢复系数0.200.18YHC N M H G均按多孔介质处理.其滑动摩擦系数0.30中半焦床、软熔区域、回旋区大小和高度以本实验滚动摩擦系数0.0750.125.室所进行的COREX气化炉的热态试验为依时间步长/s1.0x10” 4据1.18.出口压力设置为0.45 MPa,模拟未考虑炉内反应,只考虑人口气体速度、成分等条件.第1期李海峰等:加焦方式对气化炉内气流分布的影响心料柱透气性较好,气流顺行，故气流温度较高.3结果分析与讨论同时中心加焦方式使得炉子边缘处等温线倾斜度3.1不同加焦 方式下的热态物理模拟结果较大,说明中心加焦对边缘气流有--定的抑制采用58#石蜡、风量14m3●h-'、风温100 C.作用.料层高度370 mm、排料速度为0.5 r . min-'、炉对比分析图4( a)与图4( e )可知,中间区域内矿/(块煤+焦炭)体积比0.5:1、加焦粒度为加焦时,与混装条件下相比而言,在平行于纵轴的5 mm条件下,对比炉料混装、中心加焦8. 7%、中x=8cm竖直线上,同一高度处,中间区域加焦方间加焦8.7%三种情况下,模型内部各区域温度式下的热电偶温度值高,这是由于中间区域料柱的变化情况,分析加焦方式对熔化气化炉内部气空隙度增大,透气性得到改善,煤气流往中间发流分布的影响,物理实验结果如图4所示.展，从而使中间区域温度升高.中间焦柱的加入，对比分析图4(a)与图4(b)的物理实验结使炉体中心区域的温度也降低.这说明中间区域果,可知采用中心加焦方式,炉内中心温度即平行加焦气流在炉体中间得到发展,边缘及中心气流于纵向的x=0竖直线上温度分布较炉内无中心得到抑制,气流在炉内呈两道气流向上发展.焦柱时温度分布稍高.说明炉内中心加焦使得中(b)36,303636-3035-.3232-n40-2824-24~ -6020一宫60 ,添1670杀16-5(7516F<7>\ 6512风口70 65-\798- 35556545~5030 350\ \35、400B50246810121416横向/em横向/cm图4加焦方式对炉内温度分布的影响Fig. 4 Influence of different coke charging on temperature distribution in the furnace(a)一无中心焦柱;(b)- -中心加焦8. 7%(5 mm);(c)一中间加焦8. 7%( 5 mm)3.2加焦方式对空 隙度的影响加入使得熔化气化炉两侧中部空隙度数值较大,因物理实验无法获得颗粒堆积的内部信息，而采用混装布料的熔化气化炉其他位置空隙度数故采用DEM方法获得了中心加焦、中间区域加焦值较小，从侧面说明其中心部分透气透液性将会时的气化炉内的空隙度分布的结果,如图5、图6变差,而气化炉两侧中间区域透气性将会得到所示.由图5可以看出,中心加焦使得气化炉中心中国煤化工空隙度数值较大,而采用混装布料的气化炉两侧YHC N M H G中间加焦形成的料柱空部分空隙度较小，空隙度数值的大小从侧面可以隙度模拟结果,可获得不同的加焦方式会使得熔说明煤气流的走向,即气流会沿着空隙度大的位化气化炉内物料空隙度分布存在不同程度的差置流动,空隙度小的位置会对煤气流产生一定的异,这势必会造成炉内煤气流分布的不-致,因抑制作用.由图6可以看出，由于中间区域焦炭的此,针对熔化气化炉采用的混装布料模式以及其1材料与冶金学报第15卷日臻成熟的研究手段,下文将对加焦方式下熔化1.00e+00气化炉内煤气流分布进行研究,详细分析不同加9.72e-019.43e-01焦方式下炉内煤气流分布趋势,以期提出较为合9.15e- -018.87e-01 .8.59e-01理的加焦方式. .8.30e-018.02e-017-74e-019.39e- -017.17e -016.89e-019.08e-016.61e-018.78e-016.32e-018.17e-016.04e-017.86e- -015.76e-015.47e-017.56e- -014.19e-017.25e- -014.91e-016.95e-014.62e-014.34e-01378e- .015.73e- 013.49e- -0121e-013.21e-014.81e-012.93e-014.50e- -014.20e-01图6中 间区域加焦方式下空隙度分布图3.89e-013.59e- -01Fig. 6 Voidage distribution under intermediate3.28e- -01coke charing2.67e-012.37e- -01图5中心加焦方式下空隙度分布图区域内空隙度分布以UDF形式导人到流体力学Fig. 5 Voidage distribution under central coke charing计算软件的计算区域网格内,并对每一-个网格内的空隙度进行UDF人工编程设定,不同加焦方式3.3加焦方式对煤气流分布的影响根据上述离散单元模型的模拟结果,将各下其各区域的空隙度分布值列于表2中.表2不同加焦方式下各区域空隙度分布Table 2 Voidage distribution of each zone under different coke charging patterns区域自由空间填充床软熔带( 矿区欺熔带(焦区)半 焦床回旋区死料柱未加焦柱(均匀混合)0.274中心加焦1.00.5410. 3900. 4650. 6200. 369中间区域加焦0. 252根据流体力学多孔介质模型建立气化炉煤气个阻力较小的煤气流发展通路,从侧面说明加入流分布数学模型,模型获得了不同加焦方式下气焦柱后会对气化炉透气性有- -定的改善,这与物化炉内气体速度矢量、流线分布信息，如图7所理实验得出的结论类似.示.图中可以看出,气体从风口处鼓人气化炉内，模型还可进一一步获得不同加焦方式下炉内气炉料的存在使得其对气流有一定的阻碍作用,从体在径向上及z=0截面处的轴向。上的速度分布而使气流速度减小，并且其流向由于软熔区域的信息,模拟结果如图8所示.图中可以看出在在不存在而发生变化,究其原因是炉内各区域空隙度同加焦方式下，气体流速在不同高度上的径向分分布不同所致.焦炭在炉中心位置和炉中间位置布以及z=0截面处不同径向炉内速度在轴向上的加入，会使得炉内空隙度分布存在明显不同,中的分布趋势大体是一致的 ,在气化炉内加入焦柱心加焦和中间区域加焦时,在炉中心位置和中间后,煤气流速整体得到增加,在气化炉内部煤气流区域位置的空隙度较大,与未加入焦柱相比,气体速竹前加了的社几工-1,加焦位置处煤气流中国煤化工在此两位置的流动不会出现明显的方向变化，如TY片CNMH G6 m. s',如图8中黑图7中气体流线所示.色rn凶文他小.出点灰的引人使得煤气流速从图7气体速度矢量图和流线图还可以看得到了提高,炉内透气性得到明显改善,但是加焦出，同一加焦方式下,加焦位置处气流速度要高于范围的增加难免会影响煤气利用率,因此,应严格未加焦炭时的气流速度,即加焦位置处会形成一控制加焦量.第1期李海峰等:加焦方式对气化炉内气流分布的影响0.520m/sa).40.4日0.0.3恒案o.2弄0.2.1 F0.1oLL-0.2经向位置1m0.2).3-0.1径向位置/1置/m).50.sb)! 0:Ea 0.3面0.30.1oL径向位置/m(f()E 0.E 0.300司， 0.1径向位置/m .图7不同加焦方式气体速度矢量图( 左列)和流线图(右列)( m/s)Fig. 7 Gas velocity vectors ( left ) and streamlines ( right ) under different coke charging patterns ( m/s )(a)(d)-混装(未加焦柱);(b)(e)一中中国煤化工:YHCNMHG电偶测温的万式，从炉内气体温度分布信息考察4结论了气体的流动情况,但物理实验无法获得内部信本文建立了研究三维气化炉炉料结构和煤气息,故基于离散单元法模型,以Fluent 软件为载流分布的物理模型和数学模型.物理模型采用热体,利用多孔介质模型并加入用户自定义函数,通材料与冶金学报第15卷t (a)0.5-0.1 m-0m4----0.1m----0.2m0.4... ....-.-0.135 m.......... -0.325 m---- -0.38m-0.155 m。3F0.3實2干0.2|0.1oh-0.2-0.15-0.1-0.05 00.05 0.1 0.15 0.2径向位置/m速度/(m-s)t (b)).5L (@)-一- -0m-一-一0.1m038 m二二20155 m三图0.3 F中心加焦位置宫要0.20-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2速度(m-s~)0.m- - --0.25 m-0.08m4F....... -0.325 m--0.135m0.155m中间加焦位置0.3上11录22弄0.2-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.245速度/(m.s)图8不同加焦方式炉内煤 气速度的径向(左列)及轴向(右列)分布图Fig.8 The gas velocity distribution in radial ( left ) and axial ( right ) directions underdifferent coke chargil中国煤化工(a)(d)一混装(未加焦柱);(b).(e)-中MYHCNM HG过数学模型进一步研究 了不同加焦方式下的气化意义,其主要结论如下.炉内煤气流的分布的影响机理,获得了气化炉内(1)利用DEM方法计算得到的不同加焦方煤气的速度场和流线.其模拟结果对COREX气式下炉内空隙度分布,对气化炉内空隙度分布进化炉采用加焦措施指导调节煤气流分布具有借鉴行了设置,为今后计算气化炉气流分布空隙度设第1期李海峰等:加焦方式对气化炉内气流分布的影响9置提供了依据.pneumatic model study at cohesive zone of the blast furace[J]. 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