李曉清，李海峰，羅志國(guó)

(1.寶鋼股份中厚板分公司 煉鐵廠，上海 200949;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

COREX是奧鋼聯(lián)開(kāi)發(fā)的一種用煤和球團(tuán)(塊礦)生產(chǎn)鐵水的煉鐵新工藝［1～2］.COREX 熔融還原裝置主體分為上下兩部分，上部的預(yù)還原豎爐和下部的熔化氣化爐.其中COREX熔化氣化爐采用的布料機(jī)構(gòu)為萬(wàn)向節(jié)布料器和DRI布料器混合布料模式，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、單環(huán)、多環(huán)、扇形等多種布料方式.通過(guò)不同的布料模式可形成不同的料面形狀以及不同的料床結(jié)構(gòu).

COREX熔化氣化爐爐內(nèi)的煤氣流分布從形成到排出爐外經(jīng)過(guò)了兩次分布.在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)，由風(fēng)口鼓入的氧氣與半焦燃燒生成高溫氣體，形成了氣化爐爐內(nèi)煤氣流的初始分布;煤氣流經(jīng)過(guò)料床直至排出爐外為其第二次分布，料床內(nèi)爐料構(gòu)成的空隙度分布決定煤氣流的二次分布，而料床的空隙度由爐料的布料模式及爐料運(yùn)動(dòng)決定.本文根據(jù)COREX －3000布料模式［3～4］和借鑒高爐布料研究方法［5～7］，對(duì)不同布料模式下可能形成的料面形狀及料床結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，本文研究的布料模式分為兩種，即單環(huán)布料、多環(huán)布料.其中，單環(huán)布料是最為簡(jiǎn)單的一種布料方式，爐內(nèi)爐料的偏析程度高，能清晰地考察布料檔位對(duì)料床內(nèi)煤氣流分布的影響;而在實(shí)際生產(chǎn)中，大都采用多環(huán)布料模式，這種布料模式可以減少布料過(guò)程粒度偏析對(duì)煤氣流分布的影響，促使煤氣流均勻分布，以達(dá)到提高煤氣利用率的目標(biāo).

本文首先建立了氣化爐內(nèi)煤氣流分布的二維數(shù)學(xué)模型，先后對(duì)單環(huán)布料條件下檔位分別為0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m 的布料模式下和4種現(xiàn)場(chǎng)常用的多環(huán)布料模式下的煤氣流分布狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了氣化爐內(nèi)不同布料模式下的煤氣壓差和煤氣流的變化情況，通過(guò)模擬計(jì)算獲得的非均勻床層中氣體流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)對(duì)COREX氣化爐工藝有借鑒意義.

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 基本控制方程

在建立模型過(guò)程中，為減少模型復(fù)雜性，作了一些簡(jiǎn)化和假設(shè)，主要包括以下內(nèi)容.

(1)認(rèn)為爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)已達(dá)到穩(wěn)態(tài);

(2)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)只有氣體流動(dòng);

(3)填充料床、軟熔帶區(qū)及半焦床區(qū)等各區(qū)域間的分界線明確，數(shù)據(jù)均是由物理模擬［8］推導(dǎo)而來(lái)的.

連續(xù)性方程

式中，ρ是密度;t是時(shí)間;v?是速度矢量;Sm為質(zhì)量源相.

動(dòng)量守恒方程

式中，μ是黏性系數(shù);Sv是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng).

湍流方程

式中，Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能;YM為可壓縮湍流的波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn);C1ε，C2ε，C3e為常數(shù)，σk，σε分別為 k，ε 的湍流普朗特常數(shù);Sk，Sε為用戶自定義源相.

本模擬研究使用Ergun方程［9］來(lái)推導(dǎo)多孔介質(zhì)中氣流的黏性和慣性阻力損失系數(shù).

當(dāng)模擬充滿介質(zhì)的層流流動(dòng)時(shí)，上面方程中的第二項(xiàng)可能是個(gè)小量，從而得到Blake－Kozeny方程:

式中，μ是黏性系數(shù);Dp是平均粒子直徑;ε為空隙度.

每一方向上的黏性阻力損失系數(shù)和慣性阻力損失系數(shù)為:

空隙度不同，黏性阻力損失以及慣性阻力損失均不同，根據(jù)(7)和(8)可以計(jì)算不同區(qū)域的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，該計(jì)算由UDF(User Defined Function)來(lái)實(shí)現(xiàn).

圖1 熔化氣化爐二維數(shù)學(xué)模型區(qū)域劃分示意圖Fig.1 Zone division based on Melting gasifier two－dimensional mathematical model

通過(guò)以上控制方程和假設(shè)建立了氣化爐內(nèi)煤氣流分布的二維數(shù)學(xué)模型，考察不同料面形狀下的煤氣壓差和煤氣流的變化情況.圖1為某檔位下的區(qū)域劃分示意圖，根據(jù)對(duì)稱性，只考慮半周區(qū)域.計(jì)算區(qū)域主要分為自由空間區(qū)、填充區(qū)、軟熔帶區(qū)、半焦區(qū)、風(fēng)口區(qū)、死料柱區(qū)、渣鐵區(qū)，均按多孔介質(zhì)處理.其中半焦床、軟熔帶、風(fēng)口回旋區(qū)大小和高度以本實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的COREX氣化爐的熱 態(tài) 試 驗(yàn) 為 依 據(jù)［8，10］.出 口 壓 力 設(shè) 置 為0.45 MPa，模擬未考慮爐內(nèi)反應(yīng)，只考慮入口氣體速度、成分等條件.

1.2 數(shù)學(xué)模型邊界條件

考慮到爐料散落到料面后，較大顆粒的爐料更易滾動(dòng)，導(dǎo)致料尖處爐料粒度最小，故假定爐料在料面處的粒度分布反比于其料尖高度.隨著爐料的下行，由于爐料的還原和粉化導(dǎo)致其粒度逐漸降低，故假定料面上距離料尖最遠(yuǎn)處的料堆空隙度最大為0.6;而料尖處的爐料空隙度為0.48;且隨著爐料的下行，空隙度逐漸減小，最小值為0.43;軟熔帶處空隙度最小為0.3;半焦區(qū)內(nèi)僅存在半焦固體，但存在液體滴落，故空隙度比軟熔帶大比填充區(qū)小，設(shè)為0.41;風(fēng)口區(qū)、自由空間區(qū)和死料柱空隙度分布分別為1.0、0.97、0.25.

(1)單環(huán)布料條件下的料床空隙度分布

圖2 單環(huán)布料模式下的料面形狀和料床空隙度分布Fig.2 Burden surface shape and voidage under different modes for the single ring

根據(jù)本文假設(shè)的料床空隙度在徑向上分布遵循線性變化的規(guī)律，計(jì)算獲得不同單環(huán)布料模式下?tīng)t內(nèi)料面形狀和各區(qū)域料床空隙度分布圖，如圖2所示，可見(jiàn)隨著布料檔位的外移，落點(diǎn)位置處爐料粒徑較小，而遠(yuǎn)離落點(diǎn)位置處爐料粒徑逐漸增加，爐內(nèi)最終形成料床空隙度在徑向上的不同分布，且隨著爐料下行及熔化，造成氣化爐下部的空隙度顯著低于氣化爐上部，爐內(nèi)最終造成爐料空隙度在軸向上的不同分布.

(2)多環(huán)布料條件下的料床空隙度分布

COREX－3000氣化爐所采用過(guò)的典型布料模式如表1所示，表內(nèi)數(shù)據(jù)為各檔位上的布料高度.根據(jù)表1的布料高度計(jì)算獲得了不同布料模式下?tīng)t內(nèi)料面形狀和各區(qū)域料床空隙度分布，如圖3所示，可見(jiàn)爐內(nèi)料床空隙度在徑向的分布隨著布料檔位的變化而變化，且隨著爐料下行及熔化，造成氣化爐下部的空隙度顯著低于氣化爐上部，最終造成爐內(nèi)料床空隙度在軸向上的不同分布.與圖2相比可知，A，B，C，D 4種不同多環(huán)布料模式下，料面爐料偏析程度與單環(huán)布料模式相比有所降低.

表1 現(xiàn)場(chǎng)常用的布料模式下各布料檔位的布料高度Table.1 The burden height under different radius of the four commonly used modes in the plant

圖3 不同多環(huán)布料模式下的爐內(nèi)料面形狀和料床空隙度分布圖Fig.3 Burden surface shape and voidage under different modes for the multiple rings

2 結(jié)果分析與討論

2.1 單環(huán)布料煤氣流分布結(jié)果

(1)氣體壓差分布

根據(jù)本文建立的數(shù)學(xué)模型獲得了單環(huán)布料模式下?tīng)t內(nèi)壓差分布狀況，圖4列出了部分單環(huán)布料模式下的結(jié)果.圖5為氣化爐內(nèi)整體壓差隨布料檔位的變化關(guān)系圖.由圖5可知，隨著布料檔位外移，整體壓差升高.當(dāng)布料檔位小于2.0 m時(shí)，整體壓差隨布料檔位外移的增加幅度約為1.5 kPa/m;布料檔位從2.0 m到2.5 m時(shí)，整體壓差隨布料檔位的繼續(xù)外移增加幅度變緩，其增幅為1.0 kPa/m;而布料檔位在2.5 m到4.0 m之間時(shí)，整體壓差增幅不大;當(dāng)布料檔位超過(guò)4.0 m小于4.5 m，整體壓差隨布料檔位的繼續(xù)外移開(kāi)始減少，其減少幅度為1.0 kPa/m;超過(guò)4.5 m檔位時(shí)，整體壓差減小幅度增加，變?yōu)?.5 kPa/m.

上述現(xiàn)象的原因可解釋為:眾所周知，氣體經(jīng)過(guò)空隙度小的料床受到的阻力較大.由圖2可知，隨著布料檔位外移，料床空隙度最小區(qū)域先增大后減小，進(jìn)而決定著還原煤氣進(jìn)入料柱的阻力先增加后減小，即整體壓差出現(xiàn)了如圖5所示的變化趨勢(shì).

圖4 不同單環(huán)布料模式下?tīng)t內(nèi)壓力場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of the pressure fields under different modes for the single ring

圖5 不同單環(huán)布料模式下氣體整體壓差分布圖Fig.5 Distribution of the pressure difference under different modes for the single ring

(2)煤氣流場(chǎng)分布

根據(jù)本文建立的數(shù)學(xué)模型獲得了單環(huán)布料模式下煤氣速度場(chǎng)分布云圖，圖6列出了部分單環(huán)布料模式下的模擬結(jié)果.由圖6可知，由回旋區(qū)產(chǎn)生的高溫煤氣先經(jīng)過(guò)半焦床進(jìn)行一次分配.由圖中可以清晰看到，氣體在經(jīng)過(guò)軟熔帶時(shí)速度變化較大，但因氣化爐為混合布料，不存在“焦窗”，故在軟熔帶并沒(méi)有諸如高爐那樣的“二次分布”［9］.氣體通過(guò)軟熔帶后，沿著空隙度較大的地方流動(dòng)，在各布料檔位下，料尖所在垂直高度方向上煤氣流速較低，尤其在料尖處煤氣流速顯著降低.這是因布料過(guò)程的空隙度偏析現(xiàn)象導(dǎo)致料尖處爐料空隙度較低所致.隨布料檔位外移，中心爐料空隙度逐漸增大，中心煤氣流逐漸發(fā)展.

在氣化爐的不同高度上，布料檔位在0.5～2.0 m與4.0～5.0 m之間時(shí)，煤氣流速均勻程度相差較大，即煤氣流偏析程度高.綜合對(duì)比可知，布料檔位為2.5～3.5 m時(shí)，爐內(nèi)煤氣流偏析程度最低.

2.2 多環(huán)布料煤氣流分布結(jié)果

(1)氣體壓差分布

根據(jù)本文建立的數(shù)學(xué)模型獲得了多環(huán)布料模式下?tīng)t內(nèi)壓差分布狀況，如圖7所示.由圖可知，現(xiàn)場(chǎng)常用的4種布料模式下，氣體壓差變化相差不大.與單環(huán)布料的結(jié)果圖4相比可知，多環(huán)布料的壓差在軸向上的分布更均勻，在填充床區(qū)壓差等值線基本上成水平分布，而單環(huán)布料呈斜線分布，這主要是由于徑向上的空隙度差異造成的，可見(jiàn)多環(huán)布料減少了物料的偏析分布.

(2)煤氣流場(chǎng)分布

根據(jù)本文建立的數(shù)學(xué)模型獲得了多環(huán)布料模式下氣化爐內(nèi)煤氣流速的分布，如圖8所示.由圖可知，4種布料模式下，料尖處仍存在煤氣流速極小區(qū)域，但程度明顯小于單環(huán)布料結(jié)果;4種布料模式下的在同一高度處徑向速度分布變化與單環(huán)布料模擬結(jié)果在徑向上的速度變化相比，多環(huán)布料更均勻，這就意味著多環(huán)布料比單環(huán)布料的煤氣分配合理.從速度云圖上也可以看出，氣體首先經(jīng)過(guò)半焦床區(qū)，速度變化較為平緩，而在穿過(guò)軟熔帶區(qū)時(shí)速度變化較大，這是由于軟熔帶區(qū)比其他區(qū)域的空隙度小，即氣體阻力較大造成的.氣體繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)填充床區(qū)，因在此區(qū)域內(nèi)同一高度上爐料空隙度沿徑向的分布不同，而且氣體總是會(huì)趨向于向阻力較小的方向流動(dòng)，最終導(dǎo)致由軟熔帶上沿水平方向均勻向上的氣體的流線方向在填充床內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，開(kāi)始了爐內(nèi)煤氣的二次分布情況.

圖8 不同多環(huán)布料模式下的煤氣速度場(chǎng)分布Fig.8 Distribution of the velocity fields under different modes for the multiple rings

3 結(jié)論

采用二維氣化爐數(shù)學(xué)模型，以Fluent軟件為載體，采用多孔介質(zhì)模型描述了不同布料模式下的料床結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣體流動(dòng)情況，獲得了氣化爐內(nèi)煤氣的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng).通過(guò)模擬計(jì)算獲得的非均勻床層中氣體流動(dòng)規(guī)律對(duì)COREX氣化爐工藝指導(dǎo)調(diào)節(jié)煤氣流分布有借鑒意義.結(jié)果如下:

(1)根據(jù)本文假設(shè)條件計(jì)算的氣化爐內(nèi)料床空隙度隨布料檔位的變化規(guī)律，可知爐內(nèi)的氣體壓差隨著布料檔位的外移呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，拐點(diǎn)出現(xiàn)在3.0 m布料檔位.

(2)爐料布料方式對(duì)煤氣流有再分配的作用，煤氣流偏析程度隨著布料檔位呈現(xiàn)出較大的差異，其中料堆尖處煤氣流速很低，在布料檔位為2.5～4.0 m之間時(shí)煤氣流偏析程度最小.因此，氣化爐單環(huán)布料時(shí)，較為適宜的布料檔位為2.5～3.5 m，不宜低于2.0 m和超過(guò)4.0 m.

(3)獲得了現(xiàn)場(chǎng)常用的多環(huán)布料模式下的煤氣流場(chǎng)，可知多環(huán)布料比單環(huán)布料更均勻，有利于煤氣流的均分分布，能獲得較高的煤氣利用率.

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