高炉回旋区运动现象的数值模拟

风口回旋区是高炉内产生还原气体及热量的主要区域,颗粒相和气相在风口回旋区内的相互作用非常剧烈。回旋区的形状和大小决定了炉内煤气流的一次分布,是炉况顺行的基础。本文为了从颗粒尺度来描述回旋区内部气体和颗粒的运动行为,建立和发展了离散单元法和流体计算力学耦合模型。耦合模型考虑了多个相间力的作用(包括曳力、虚假质量力、升力和压力梯度力),得到了不同时刻风口前焦炭颗粒的分布图、体积分数云图、速度矢量图等。这些图表明在鼓风速度130 m/s时,风口前有颗粒被吹开,形成了明显的空腔,风口前及其附近区域的颗粒在做回旋运动,可以断定回旋区已经形成,且在6 s时风口回旋区达到稳定。     

高炉风口回旋区焦炭燃烧特性的颗粒尺度模拟

摘要：为从微观颗粒尺度解析高炉风口回旋区动态演变及内部热化学行为,采用计算流体动力学 离散单元法(CFD-DEM)耦合方法对回旋区焦炭燃烧过程进行了数值模拟研究。首先验证了CFD-DEM模型的可用性与准确性;然后探究了回旋区形成及演变过程、焦炭颗粒燃烧行为及粒径分布和气相的温度及组分分布;最后考察了不同鼓风速率对回旋区大小、风口轴向气体温度与组分分布的影响。模拟结果表明,回旋区的宽度和高度随着鼓风速率的增大而增加;鼓风速率的上升使气体高温区和化学反应区分布发生改变,即最高温度点和焦炭反应区均向焦炭床中心移动。     

高炉风口回旋区系统的模拟

因为鼓风是预热、还原和熔化铁矿石所需要的热气体的来源,所以鼓风在各风口均匀分配是高炉顺行的重要前提.而回旋区产生的热气流在高炉边缘分布不必均匀.为了研究和分析风口参数和边界条件变化的影响,开发了一种用于风口回旋区系统的模型,对风量、风压、风口直径和喷吹还原剂的燃烧率等变量进行了研究.同时还开发了一种用于实时跟踪风口情况变化的模型在线版本.     

熔融气化炉风口回旋区冶炼特征的数值模拟研究

相比于高炉风口喷吹富氧热风,熔融气化炉风口采用常温纯氧,使得炉内质量、动量、热量的传输以及煤气流分布等冶炼特征与高炉存在较大差异.通过建立熔融气化炉风口回旋区二维数学模型,系统考察熔融气化炉风口回旋区内速度分布、温度分布及气体组分分布的冶炼特征.结果表明:在气固相热交换及焦炭 (或块煤形成的半焦) 燃烧反应的综合作用下,熔融气化炉风口回旋区内气体温度迅速升高至3 500 K以上;此外,风口前端存在小规模的气体循环流动现象,故风口前端扩孔破损现象严重,进而导致非计划休风率较高;为减少此类休风现象,可适当额外喷吹富氢燃料性气体 (天然气、焦炉煤气),不仅能降低风口回旋区内气体温度,更可替代部分固体燃料,并充分发挥其中H₂的高温还原优势,提升熔融气化炉冶炼效率.      

分形理论分析风口回旋区的边界

基于分形理论更能准确的界定风口回旋区边界。建立COREX熔化气化炉的半周三维冷态模型,利用高速摄影的方法跟踪冷态模型内示踪粒子的运动,得到冷模型观察面板处风口回旋区的颗粒运动信息。通过对大量颗粒运动信息的处理得到风口回旋区范围的颗粒速度标量场,最后运用分形理论对利用不同颗粒速度大小等值线界定的回旋区边界的“不规则”程度进行了研究。结果表明：在回旋区内部颗粒快速运动的空腔区,分维数基本不变,且接近于欧几里得维数1;在停滞区,分维数也基本不变,其数值大致为1.4;从空腔区到停滞区分维数逐渐增大;将停滞区分维数基本不变的速度值作为界定回旋区边界的标准,可以确定回旋区的形状和大小,并可通过余维相加定律计算出三维风口回旋区的内表面积;为风口回旋区的宏观动力学计算以及数值模拟提供准确的边界条件。     

高炉风口回旋区大小的计算模型的研究

高炉是炼铁生产中的重要设备。高炉风口回旋区的大小及形状决定了高炉煤气的一次分布,反映了焦炭的燃烧状态,直接影响软熔带的形状和位置,高炉风口回旋区的大小的计算模型的应用对高炉生产实践具有重要的意义,为此,总结了国内外关于回旋区大小的计算模型,为实际生产提供一些经验公式。     

高炉风口回旋区特征的研究现状

高炉风口回旋区是高炉内的重要反应区域,回旋区的形成和反应情况,将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降以及整个高炉内的传热传质过程,因此,对高炉风口回旋区特征研究对创造最佳化的高炉冶炼条件具有相当重要的意义。     

影响熔化气化炉风口回旋区因素的物理模拟

以COREX实际尺寸和操作参数为基础,假设回旋区内只有气、固两相,根据相似准则建立了COREX熔化气化炉模型用以研究回旋区.实验采用聚乙烯粒子作为模型的填充物料,并用红色粒子作为示踪粒子,研究了回旋区的形成过程;通过颗粒速度场确定的回旋区边界,分析了风速、排料速度(焦炭燃烧速度)、料层高度等因素对回旋区大小的影响.     

风口回旋区的数字图像处理方法

风口回旋区对高炉及COREX熔化气化炉冶炼过程起着十分重要的作用,人们对风口回旋区进行了大量的试验与模拟研究.目前通过试验方法得到的风口回旋区仅仅是由若干个测量点确定.物理参数场可以用来准确确定回旋区边界,但是目前为止所有的研究风口回旋区的物理参数场都是由数值模拟确定,并且没有明确的回旋区的定义标准.在本研究中利用CO...     

高炉风口回旋区兰炭燃烧行为的数值模拟

为了探究价格较为廉价并且燃烧性能良好的燃料(兰炭)在高炉直吹管、风口、回旋区内燃烧产生的温度、气体成分以及燃料的燃尽率分布情况,根据高炉的实际尺寸,建立了三维物理模型并进行模拟计算。模拟结果表明,当单独喷吹烟煤、兰炭时,回旋区内的温度均为先升高到最高温度后缓慢降低,风口中心线上最高温度分别为2 447、2 415 K。然而,当单独喷入无烟煤、焦化除尘灰(CDQ粉)时,回旋区内温度持续缓慢上升,在回旋区出口处达到的最高温度分别为2 473、2 366 K。烟煤在风口、回旋区内燃烧产生CO的质量分数均高于其他3种燃料;兰炭、烟煤、无烟煤、CDQ粉在回旋区出口处产生的CO质量分数分别为20.82%、26.09%、17.51%、15.74%。采用兰炭喷吹的燃尽率(63.01%)高于采用无烟煤和CDQ粉的燃尽率(分别为58.03%和52.40%),低于采用烟煤的燃尽率(73.13%)。虽然兰炭和无烟煤的组成成分相似,但是从兰炭在风口、回旋区内燃烧产生的温度、气体成分、燃尽率等方面来看,兰炭的燃烧性能要强于无烟煤。     

高炉回旋区大小的物理模拟

从描述回旋区内气固流运动特性的微分方程出发,应用相似转换法导出相似准则,建立模拟回旋区内煤气及焦炭运动的冷态模型.冷态试验采用了大米、小米、绿豆等作为模型的填充料层;应用HG-100K高速摄像机记录了模型内回旋区的大小与颗粒运动轨迹;并详细分析了影响回旋区大小的主要因素.     

氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟

炉顶煤气循环-氧气鼓风高炉炼铁新技术的工艺特点决定了煤粉在其回旋区内的燃烧条件与传统高炉相比将发生很大变化.本文建立了氧气高炉直吹管—风口—回旋区下部煤粉流动和燃烧的数学模型,研究了入口布置方式、氧含量、循环煤气温度以及H₂O和CO₂含量对煤粉燃烧的影响.模拟结果表明:三种引入方式中,假想的循环煤气和氧气混合进入方式明显优于循环煤气和氧气单独进入方式.当氧的体积分数由80%增加到90%,相应的煤粉燃尽率由87.525%提高到93.402%.循环煤气温度对煤粉燃尽率的影响并不显著.循环煤气中H₂O和CO₂的体积分数提高5%,风口轴线上气体的最高温度分别降低124 K和113 K.     

颗粒形状模型对高炉布料过程DEM模拟的影响

在高炉中,布料过程中的炉料运动行为和炉料分布直接影响高炉产能和能耗,而理解炉料的颗粒特性对炉料运动和炉料分布的影响至关重要,尤其是颗粒形状的影响.采用球形和非球形的离散单元法(Discrete Ele-ment Method,DEM)对4000 m3高炉的布料过程进行三维数值模拟,对比研究了不同颗粒形状模型对布料运动行...     

废塑料入炉喷吹的数值模拟研究

基于高炉喷吹混合燃料的方法,探究废塑料作为燃料在高炉内的作用。以某2536m3高炉为研究对象,将喷入的煤粉及塑料作为粉相,分析混合燃料的水分、灰分、挥发分和固定碳等化学指标,采用高炉高温区热平衡分析法,计算高炉单一喷吹和混合喷吹条件下的焦比,对高炉内喷吹过程进行模拟研究。计算机模拟结果表明,将煤粉与废塑料混合喷吹降低了高炉焦比,提高了煤的利用率。     

高炉风口回旋区深度直接测量方法的研究

高炉风口回旋区深度是高炉实现最佳冶炼的重要参数之一。简要介绍了回旋区深度理论建模计算、经验公式计算的研究及不足,同时介绍了炉芯取样、风口探针、激光雷达、微波雷达等几种风口回旋区深度直接测量技术的测量原理及应用现状。通过对各种直接测量技术的分类讨论和优劣对比,得出微波测量是1种较为有效的回旋区深度测量方法。在完善各种回旋区深度直接测量方法的同时,建议结合CCD成像等其它监测系统同步完成风口多项指标的测量。     

氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的三维数值模拟研究

炉顶煤气循环氧气高炉是一种全新的炼铁新工艺,它可以有效提高煤比、减少CO₂的排放.但是其复杂的燃烧条件将使煤粉在回旋区内的燃烧及高炉下部的行为发生很大变化.为了了解氧气高炉炼铁新工艺条件下喷吹煤粉的复杂现象,建立了一个氧气高炉条件下的氧煤枪-直吹管-风口-回旋区-焦炭床的三维数学模型,研究了氧气高炉下部的温度场、浓度场及煤粉的流动和燃烧特性.模拟结果表明,氧气高炉条件下的回旋区温度显著升高、高温区面积扩大,CO₂含量提高,焦炭床内CO含量显著增加.此外,与传统高炉相比,氧气高炉回旋区表面的煤粉燃尽率增加了10.24%.      

Development of 3-D mathematical model of raceway size in blast furnace

A three-dimensional (3-D) mathematical model to predict raceway diameter has been developed based on previous 2-D studies. The results show that the 3-D simulated results on raceway diameter are in good agreement with measurements of two Chinese blast furnaces. Moreover, it is more precise than previous models. The effect of blast velocity, bed porosity and particle diameter has been investigated. An increase in gas velocity relative to a decrease in velocity leads to a larger downward frictional force so that the raceway diameter is smaller. A low bed porosity and a small particle diameter result in low normal pressure in the Cartesian region and low radial pressure in the radial region, which is not beneficial for smooth operation.     

高炉风口回旋区测温技术研究

开发研制了高炉风口回旋区非水冷快速测温枪和风口风管组合电偶测温枪。研究结果表明，应用此测温系统对高炉风口、风管和回旋区进行测温分析准确可靠，简单易行。