狄瞻霞，韓立浩，羅志國，鄒宗樹

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004）

影響熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)因素的物理模擬

狄瞻霞，韓立浩，羅志國，鄒宗樹

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004）

以COREX實(shí)際尺寸和操作參數(shù)為基礎(chǔ)，假設(shè)回旋區(qū)內(nèi)只有氣、固兩相，根據(jù)相似準(zhǔn)則建立了COREX熔化氣化爐模型用以研究回旋區(qū).實(shí)驗(yàn)采用聚乙烯粒子作為模型的填充物料，并用紅色粒子作為示蹤粒子，研究了回旋區(qū)的形成過程;通過顆粒速度場確定的回旋區(qū)邊界，分析了風(fēng)速、排料速度 （焦炭燃燒速度）、料層高度等因素對回旋區(qū)大小的影響.

COREX;風(fēng)口回旋區(qū);回旋區(qū)大小

COREX熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)是熔化氣化爐下部的重要反應(yīng)區(qū)，可以為預(yù)還原礦的終還原提供還原氣體及熱量，研究回旋區(qū)的傳熱傳質(zhì)過程就顯得格外重要.但是目前關(guān)于熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)的研究較少，因此研究COREX熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū)時(shí)借鑒了高爐風(fēng)口回旋區(qū)的研究.

Shin－ichiro Nomura等［1］在一個(gè)簡化的回旋區(qū)模型的基礎(chǔ)上，從理論角度研究了不同因素的影響.這種理論方法是通過作用在回旋區(qū)上的力的平衡來實(shí)現(xiàn)的.張生富等［2］建立了基于數(shù)字圖像處理的高爐風(fēng)口回旋區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，直觀得到高爐內(nèi)部燃燒狀況，再通過火焰燃燒溫度場的算法，得到了火焰內(nèi)部溫度場的分布，從而研究回旋區(qū)的狀況.在川崎3號高爐和其他很多解剖高爐研究中［3］，用噴填的方法把生產(chǎn)狀態(tài)下的風(fēng)口回旋區(qū)保存下來進(jìn)行研究，成蘭伯等［4］在首鋼用噴填的辦法把生產(chǎn)狀態(tài)下試驗(yàn)高爐的風(fēng)口回旋區(qū)完整的保留下來，然后進(jìn)行了解剖分析，得到了風(fēng)口回旋區(qū)的形狀與結(jié)構(gòu)的真實(shí)數(shù)據(jù).Sabita Sarkar等［5］通過數(shù)學(xué)模擬，利用連續(xù)的等應(yīng)力邊界來研究回旋區(qū)邊界;同時(shí)其他很多學(xué)者也通過數(shù)值模擬的手段研究回旋區(qū)，比如D Frank Huang等［6］人采用FLUENT軟件，用雙歐拉方法模型初步確定回旋區(qū)邊界，再通過回旋區(qū)及其周圍燃燒模擬修正回旋區(qū)邊界，最后得到穩(wěn)定邊界.Hatano M等［7］通過冷態(tài)模型用大豆、谷子、小麥和不同粒徑的砂子代替焦炭顆粒模擬了風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)的壓力和速度場，指出當(dāng)回旋區(qū)內(nèi)部完全處于湍流狀態(tài)時(shí)，流動(dòng)的流線大致恒定，靜壓力分布系數(shù)也趨于穩(wěn)定，這時(shí)回旋區(qū)深度就達(dá)到了最大值.Kuwabara M和Muchi I［8］用高速攝影機(jī)對二維冷態(tài)模型中焦炭運(yùn)動(dòng)進(jìn)行攝影，描繪出了焦炭在回旋區(qū)內(nèi)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài).Nakamura M等人［9］在模型實(shí)驗(yàn)中測定了回旋區(qū)的形狀，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為回旋區(qū)是呈以深度為長軸與鼓風(fēng)噴射區(qū)相內(nèi)接的1個(gè)橢圓.

高爐回旋區(qū)的研究主要是從上述的理論分析、監(jiān)控高爐、解剖研究、數(shù)值模擬和冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)5個(gè)方面進(jìn)行的.其中冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)可以直觀地得到回旋區(qū)形狀及粒子運(yùn)動(dòng)情況.本文采用冷態(tài)模擬的方法來研究熔化氣化爐風(fēng)口回旋區(qū).實(shí)驗(yàn)過程中，利用紅色示蹤顆粒研究回旋區(qū)內(nèi)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)特征，同時(shí)采用高速攝影儀記錄回旋區(qū)的大小及顆粒的運(yùn)動(dòng)情況.

1 回旋區(qū)冷態(tài)模型簡介

在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)噴吹煤粉時(shí)，回旋區(qū)內(nèi)存在氣、固、液、粉4相，即使是未噴吹煤粉時(shí)，回旋區(qū)內(nèi)的流動(dòng)也是存在氣、固、液3相的十分復(fù)雜的流動(dòng).利用冷態(tài)實(shí)驗(yàn)的方法模擬這樣復(fù)雜的風(fēng)口回旋區(qū)存在很大的困難，所以將回旋區(qū)內(nèi)的流動(dòng)簡化為僅存在氣固兩相的流動(dòng).

冷模型實(shí)驗(yàn)法的基本理論是建立在相似原理的基礎(chǔ)上，即建造與原型滿足主要相似條件的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砟M原型中的物理的和化學(xué)的變化，本文根據(jù)因次分析法及方程分析法推導(dǎo)及文獻(xiàn)［10，11］的研究，采用的相似準(zhǔn)數(shù)為佛魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr.

建立模型時(shí)，首先保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c熔化氣化爐原型滿足幾何相似.本研究采用1∶20的半周三維模型，為便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模型采用透明有機(jī)玻璃制作.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

為模擬回旋區(qū)內(nèi)焦炭的燃燒消耗，物料由風(fēng)口附近的螺旋排料機(jī)排出;為避免氣體泄漏，將爐料排到封閉的回收箱中.模擬物料采用聚乙烯顆粒，直徑大約為2.5 mm，密度為910 kg/m3.通過相似準(zhǔn)數(shù)可以計(jì)算風(fēng)速，同時(shí)考慮了由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致氣體量的變化，空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后，通過分配器和流量控制裝置供應(yīng)到各個(gè)風(fēng)口，進(jìn)入物理模型.實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimentalapparatus

2 物理模擬及結(jié)果分析

冷態(tài)?；瘜?shí)驗(yàn)的主要目的是尋找熔化氣化爐回旋區(qū)內(nèi)氣體、固體顆粒的運(yùn)動(dòng)模式，分析回旋區(qū)的形成過程及其尺寸.

圖2為回旋區(qū)形成過程，可分解為以下幾個(gè)過程:（a）為風(fēng)量較小時(shí)，位于風(fēng)口附近的顆粒被風(fēng)的動(dòng)能吹開，可觀察到顆粒的運(yùn)動(dòng)（圖中模糊的區(qū)域，顆粒成片），有微小的空腔形成;隨著風(fēng)量的加大，風(fēng)的動(dòng)能亦加大，被吹開的顆粒增多，形成較明顯的小空腔（如（b）所示）;當(dāng)風(fēng)量繼續(xù)增大，吹開的顆粒更多，上部顆粒的空隙度明顯減少，可以明顯看到大的空腔（如（c）所示）.可以看出，回旋區(qū)可分為3個(gè)區(qū)域:空腔區(qū)、顆?；匦\(yùn)動(dòng)區(qū)、顆粒蠕動(dòng)區(qū).

回旋區(qū)大小的界定根據(jù)文獻(xiàn)［12］的顆粒速度場的方法確定，如圖3所示.

2.1 風(fēng)速對回旋區(qū)大小的影響

回旋區(qū)形成后，在不同的風(fēng)速條件下，可以觀察出風(fēng)速對回旋區(qū)大小有明顯的影響.圖4為風(fēng)速對回旋區(qū)深度和高度的影響，圖中R為相關(guān)性系數(shù).

從圖4可以看出，回旋區(qū)大小隨風(fēng)速的增大而增大.以上現(xiàn)象可以通過如圖5所示的幾個(gè)力來說明，處于穩(wěn)定狀態(tài)的風(fēng)口回旋區(qū)，床層對循環(huán)運(yùn)動(dòng)顆粒的力沿回旋區(qū)曲面法線方向向內(nèi);而氣體壓力對循環(huán)運(yùn)動(dòng)顆粒的力正好與此力方向相反且大小相等;因此做循環(huán)運(yùn)動(dòng)的顆粒在慣性力的作用下繼續(xù)維持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即圍繞氣體空腔做循環(huán)運(yùn)動(dòng).當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增大時(shí)，氣體壓力對循環(huán)運(yùn)動(dòng)顆粒的力沿回旋區(qū)曲面法線方向向外不斷增加，而床層對循環(huán)顆粒的力并沒有改變，因而循環(huán)顆粒的合力方向向外且不斷增大，當(dāng)合力超過床層顆粒間的最大靜摩擦力時(shí)，回旋區(qū)變大.

圖2 回旋區(qū)形成過程Fig.2 Raceway form ation

實(shí)驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速超過一定值時(shí)，顆粒隨著氣體向上運(yùn)動(dòng)，不再繞氣體空腔做回旋運(yùn)動(dòng)，回旋區(qū)消失.吹入氧量增大，風(fēng)速變大可達(dá)到增大回旋區(qū)體積，起到改善爐內(nèi)狀況的效果，但是氧量過大，回旋區(qū)將消失.

圖3 回旋區(qū)邊界的界定Fig.3 Definition of raceway boundary

圖4 風(fēng)速對回旋區(qū)深度和高度的影響Fig.4 Influence of blasting velocity on raceway depth and height

圖5 回旋區(qū)頂部的受力分析Fig.5 Forces analysis on the raceway roof

2.2 排料速度對回旋區(qū)大小的影響

利用風(fēng)口處的螺旋排料來模擬焦炭的消耗，圖6為排料速度對回旋區(qū)大小的影響.

圖6 排料速度對回旋區(qū)深度和高度的影響Fig.6 Influence of dis charging velocity on raceway depth and height

從圖6可以看出，回旋區(qū)大小隨排料速度的增大而增大.這是由于物料的排出，使?fàn)t料顆粒間的孔隙度增大，運(yùn)動(dòng)顆粒受到的阻力減小，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度增加，回旋區(qū)空腔擴(kuò)大，回旋區(qū)區(qū)域增大.本研究排料是用來模擬焦炭消耗的，排料速度的增大意味著焦炭消耗增大，焦炭的消耗量與吹入的氧量直接相關(guān)，在供氧一定的條件下，焦炭的消耗速率也就確定了.當(dāng)實(shí)驗(yàn)中排料速度過大時(shí)床層的下降速度不足以補(bǔ)充排出的物料，會(huì)造成回旋區(qū)不斷增大，從側(cè)面可以反映在排料速度正常的條件下，若改善焦炭性能使其燃燒性有所提高，即增大焦炭消耗速度，可達(dá)到增大回旋區(qū)體積，起到改善爐內(nèi)狀況的效果.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上對實(shí)際生產(chǎn)中高熔煉率時(shí)爐內(nèi)信息變化提供一定的幫助.

同時(shí)實(shí)驗(yàn)中還觀察發(fā)現(xiàn)，隨著排料速度的增大顆粒下降速度變大，這表明，焦炭的燃燒可以更新中間的死料柱，對爐內(nèi)順行起到一定作用.

2.3 料層屬性對回旋區(qū)大小的影響

在風(fēng)速和排料速度都一定的條件下，本文從料層的填充高度這一料層屬性來研究對回旋區(qū)大小的影響，如圖7所示.

從圖7可以看出，隨著床層高度的增加，回旋區(qū)深度不斷變小.這種現(xiàn)象也可以通過圖5來解釋，料層高度增加后，圖中的床層重力增大，而風(fēng)速、排料速度一定，根據(jù)2.1、2.2的分析可以近似認(rèn)為氣體壓力不變，這樣就導(dǎo)致了回旋區(qū)不斷變小.

實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)料層高度達(dá)到一定值后，回旋區(qū)穿透深度和高度變化不大.實(shí)際熔化氣化爐也存在一個(gè)有效的床層高度，床層高度在這個(gè)高度范圍內(nèi)變化時(shí)，回旋區(qū)深度幾乎不發(fā)生變化［13］.

圖7 床層高度對回旋區(qū)深度和高度的影響Fig.7 Influence of bed height on racewaydepth and height

3 結(jié)論

影響回旋區(qū)大小的因素很多，如鼓風(fēng)參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)溫、風(fēng)壓、風(fēng)口直徑等）、燃燒速度、上部爐料、噴吹煤粉等.本文在對回旋區(qū)的形成過程分析的基礎(chǔ)上，從風(fēng)速、排料速度（焦炭燃燒速度）、料層高度3個(gè)方面對回旋區(qū)大小進(jìn)行了研究.

結(jié)果表明，回旋區(qū)可以分為空腔區(qū)、顆?；匦\(yùn)動(dòng)區(qū)及顆粒蠕動(dòng)區(qū)3個(gè)區(qū)域.回旋區(qū)深度和高度隨著風(fēng)速和排料速度的增大而增大，隨床層高度的增大而減小.

［1］ Nomura S I.A simple treatmenton the geometry of raceway zone［J］.Trans actions ISIJ，1986，26:107 －113.

［2］張生富，溫良英，白晨光，等.基于數(shù)字圖像處理的高爐風(fēng)口回旋區(qū)的檢測［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006，18（3）:56－59.

（ZHANG Sheng－fu，WEN Liang－ying，BAIChen－guang，et al.Monitoring of raceway in BF using digital image processing technology［J］.Journey Iron and Steel Research，2006，18（3）:56 －59.）

［3］ Blast Furnace Phenomena and Modelling. Elsevier Applied Science Publishers LTD，1987.

［4］成蘭伯，曾向明.高爐風(fēng)口回旋區(qū)工作狀況的初步研究［J］.鋼鐵，1982，17（11）:54 －64.

（Cheng Lan－bo，Zeng Xiang－ming.An investigation of the working state in the raceway of blast furnace［J］.Iron and Steel，1982，17（11）:54 －64.）

［5］ Sarkar S，Gupta G S，Kitamura S.Prediction of raceway shape and size［J］.ISIJInt ernational，2007，47（12）:1738 －1744.

［6］ Huang D（Frank），Tian Fengguo，Chen Nianwen，et al.A comprehensive simulation of the raceway formation and combustions［C］//AISTech 2009 Proceedings.2009，I:333 －344.

［7］Hatano M，F(xiàn)ukuda M，TakeuchiM.An experimental study of the formation of raceway using a cold model［J］.Tetsu － to －Hagane，1976，1:25－32.

［8］Kuwabara M ，Muchi I.Theoretical analysis of blast furnace operation based on the gas flow through layered ore and coke burdens［C］//Symposium on Blast－ Furnace Aerodynamics.1975，61－67.

［9］ Nakamura M，Sugiyama T，Uno T，et al.Configulation of the raceway in the experimental furnace［J］.Tetsu－to－Hagane，1977，63（1）:28－36.

［10］ Takahashi H，Komatsu N.Cold model study on burden behaviour in the lower part of blast furnace［J］.ISIJ International，1993，33（6）:655－663.

［11］ Takahashi H， Tanno M， Kataya J. Burden descending behaviour with renewal of deadman in a two dimensional cold model of blast furnace［J］.ISIJ International，1996，36（11）:1354－1359.

［12］羅志國，孫野，劉洪華，等.利用顆粒速度標(biāo)量場確定風(fēng)口回旋區(qū)邊界［J］.過程工程學(xué)報(bào)，2009，9（2）:228－232.

（LUO Zhi － guo， SUN Ye， LIU Hong － hua， et al.Determination of raceway boundary with particle velocity contour［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2009，9（2）:228 －232.）

［13］ Gupta G S，Rudolph V.Comparison of blast furnace raceway size with theory［J］.ISIJInternational，2006，46（2）:195 －201.

Physical simulation on raceway in melter－gasifier

DIZhan-xia，HAN Li-hao，LUO Zhi-guo，ZOU Zong-shu
（School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China）

In this paper，a cold model of COREX Melter － Gasifier has been constructed based on the actual geometrical dimensions and operating parameters.In themodel，there are only gas－ solid two phases in raceway，and the similar theory is applied to study the raceway in COREX Melter － Gasifier.In the experiment，polyethylene particles are used as the burden，and red－colored particles is used as tracer to study the raceway forming.According to the raceway boundary which is obtained by particle velocity criterion，the influence ofblasting velocity，charging rate and bed packing height on raceway size is analyzed.

COREX;raceway;size of raceway

TF 557

A

1671-6620（2011）01-0006-04

2010-11-25.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助 （N090402021）.

狄瞻霞 （1982—），女，山西曲沃人，東北大學(xué)博士研究生，E－mail:zhanxiadi@gmail.com;鄒宗樹 （1958—），男，山東章丘人，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師..