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。     

高炉风口回旋区颗粒运动的DEM-CFD数值模拟

为了模拟风口回旋区内焦炭颗粒的运动情况,建立了DEM-CFD耦合模型。模型充分考虑了颗粒与气体之间的曳力、压力梯度力、虚假质量力、升力等相间力,对回旋区形成过程及大小进行了颗粒尺度的分析,用数值模拟的手段获得风口回旋区颗粒运动的回旋趋势,得到此处颗粒的速度矢量场、气相体积分数、颗粒速度标量云图。结果显示4s时回旋区在风口前形成且稳定,靠近回旋区中心颗粒运动速度最大,远离回旋区中心的颗粒速度减小。计算结果同物理模拟的结果是一致的。     

煤粉和矿粉复合喷吹时高炉风口回旋区数学模型

在气粉两相流运动方程基础上，联立气体循环流模型和煤粉，矿粉、焦炭和气相燃烧等反应的动力学方程及各相之间的传热方程，建立了高炉风口回旋区的一维数学模型。并对几个实际过程进行了模拟仿真计算，验证了备单元过程模型的适应性，并确定了模型参数。     

高炉风口前缘焦炭燃烧行为的分析及数值模拟

高炉风口前的物理、化学变化十分复杂，风口燃烧带内的气体流动以及焦炭燃烧状况对高炉的高效生产意义重大。本文对高炉风口燃烧带内焦炭燃烧行为进行了详细的分析，并且分别对燃烧过程中气体流动过程以及传热传质过程进行了理论研究，建立了一个模拟风口燃烧带内焦炭燃烧过程的数学模型并对结果作了讨论。     

高炉焦炭回旋区的空间分布状况

高炉焦炭回旋区的空产是分布对回旋区燃烧贩数值模拟结果影响非常大，但由于在测定物理特性方面还存在着技术难点，所以，对此还不能进行定量描述。在本研究中，利用三维冷模并借助于激光传感器实现了焦炭回旋区空间分布的直接测定，测定的空间分布阐明了焦炭回旋区的典型分布状况，并示出入口处从风口端部到焦炭回旋区中间部位呈现较高且恒定的空间（气体中心部位）朝焦炭回旋区边缘呈现直线下降趋势，气体中心部位的尺度已用来建立     

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.      

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.     

抑制高炉回旋区内焦炭粉化的焦炭特性和高炉操作条件

发生在回旋区内的焦炭粉化现象，对高炉操作有很大影响。利用焦炭燃烧实验和从千叶厂5号高炉采集的焦炭，研究了回旋区内焦炭的粉化行为。焦炭燃烧实验证实了死料柱内的焦炭粉化率随着焦炭强度的下降、焦炭CRI降低、火焰温度的降低或鼓风速度的提高而增加，并验证了焦炭特性对回旋区内焦炭粉化的影响。这些结果意味着焦炭的气化反应和破碎导致了回旋区内的焦炭发生粉化。通过焦炭气化反应、机械冲击破坏和高浓度氧的燃烧组成的回旋区焦炭粉化数学模型，说明采用高强度焦炭、高反应性焦炭、高火焰温度或低鼓风速度可以减少回旋区内焦炭的粉化。     

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。     

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%.      

Analysis on Non‐Uniform Gas Flow in Blast Furnace Based on DEM‐CFD Combined Model

Blast furnace technology is currently aiming at low reducing agent operation so as to decrease CO₂ emissions. At the same time, the inner volume of blast furnaces has frequently been enlarged so as to increase production rate in some countries, including Japan. Operating conditions designed for low reducing agent in a large blast furnace tend to cause unfavorable phenomena such as slipping of the burden and gas channeling due to the decrease in coke rate. Mathematical models help to clarify the in‐furnace phenomena under these situations. From the above backgrounds, a new model has been developed that combines Discrete Element Method with Computational Fluid Dynamics (DEM‐CFD) to simulate precisely the gas flow and solid motion in a blast furnace. The present study aimed to develop a three‐dimensional mathematical model based on DEM‐CFD for simultaneous analysis of gas and solid flow in the whole blast furnace. The unbalanced gas flow in the case of clogging of the particular tuyere was analyzed to clarify the circumferential unevenness in the lower part of the blast furnace. Based on the combined DEM with CFD model, the non‐uniform gas flow in the lower part of the blast furnace was precisely evaluated.     

回旋区深度对上部炉料运动影响的模拟分析

冶炼实践已证实,高炉回旋区形状和大小影响上部炉料的运动,进而影响煤气流分布及煤气利用率。已有研究多集中在回旋区形状、大小与高炉生产指标的关系,对相关影响机理和规律较少有深入分析。针对此问题,建立二维狭槽半高炉模型,采用离散单元法(DEM)对回旋区深度与炉料形态、混合程度、径向矿焦比的关系进行数值模拟探索。模型中考虑了炉料颗粒在下降过程中的粒度变化,利用离散单元法-计算流体力学(DEM-CFD)耦合方法得到料柱孔隙率分布特征。结果表明,随着回旋区深度增加,料批下降趋向均匀,料层倾斜程度减小,块状带下部炉料混合程度减小;随着料批的下降,矿石相对于焦炭逐渐向中心偏移,回旋区深度对料批径向矿焦比分布无明显影响;块状带整体孔隙率随回旋区深度增加而减小,变化幅度在2.1%左右;回旋区深度较大时,软熔带会有孔隙率较高的区域(较宽焦窗)。     

Cold Model Study of Coal Gas Component Concentration Distribution in Blast Furnace Raceway

 Primary distribution of coal gas in blast furnace raceway has an important effect on combustion of coke and pulverized coal injection, as well as whole ironmaking process. According to practical production parameters of No. 5 blast furnace in Chongqing iron &; steel Co. LTD, the theoretical calculation model recommended by Nomura is adopted to determine penetration depth, height and width of raceway. Three-dimensional cold model of blast furnace raceway is established. Coal gas component concentration distribution of vertical section and cross section in blast furnace raceway is simulated using natural gas.     

高炉富氧喷吹焦炉煤气理论研究

 用计算模拟富氧喷吹焦炉煤气以后高炉直接还原度、焦比、入炉风量、炉腹煤气量、理论燃烧温度和炉顶煤气的变化,同时分析了富氧喷吹焦炉煤气对高炉冶炼可能带来的影响。计算结果表明：在保证高炉热量和理论燃烧温度满足高炉正常生产前提下,选择合适的富氧率和焦炉煤气喷吹量,可以使焦比降低至291kg/t,CO2的排放量减少6.1%,并且提高了煤气利用价值,增加企业的经济和环境效益。     

高炉喷吹COREX脱CO2顶煤气的数值分析

 COREX脱CO₂顶煤气作为一种优质富氢气体,直接喷吹进入高炉可有效降低高炉燃料消耗。建立了高炉喷吹COREX脱CO₂顶煤气静态工艺模型,研究高炉喷气对风口理论燃烧温度、炉腹煤气量、炉腹煤气成分、风口回旋区形状、直接还原度、节焦效果等因素的影响,并进一步探究了提高风温作为热补偿措施后的适宜喷气量。研究结果表明,不采取热补偿措施条件下,随着COREX脱CO₂顶煤气喷吹量的增加,理论燃烧温度逐渐降低,炉腹煤气量逐渐升高,高炉直接还原度降低。以维持理论燃烧温度和炉腹煤气量稳定为标准,风温相对基准提高30、60、90 ℃后,可接受喷吹的煤气量为45.4、85.5、123.3 m3/t。热补偿后,随着喷气量增加,鼓风量逐渐降低,富氧率逐渐升高。炉腹煤气中的CO及H₂含量随喷气量增加而增加,每增加10 m3/t的COREX煤气喷吹量,炉腹煤气中总的还原气体体积分数增加0.46 %,直接还原度降低0.006,节约焦炭1.48 kg/t。     

基于T-S模型的高炉喷煤协同优化控制策略研究

高炉炼铁过程通过增煤减焦实现节能减排目标,针对人工操作模式存在主观性、粗糙性和滞后性难以实现增煤减焦的问题,采用上下协同优化控制方法,一方面通过上部提前匹配减焦方式维持高温区热平衡,另一方面通过富氧鼓风保证下部喷入煤粉的高消化率,使煤粉在风口回旋区充分燃烧.进而从控制角度解析描述增煤减焦过程,将铁水温度的稳定控制问题转...     

Research on main technical parameters of blast furnace with natural gas injection

With the application and popularization of blowing natural gas in blast furnace, it is necessary to study the thermodynamic behavior of natural gas and the variation of operating parameters in blast furnace. By the second law of thermodynamics, the reduction behavior of blowing natural gas in blast furnaces was analyzed. Based on the material balance and heat balance model, the influence of oxygen enrichment, blast temperature and humidity on the blast furnace bosh gas volume and the theoretical combustion temperature in the front of tuyere raceway after natural gas injection were discussed. The quantitative analysis of dynamic coupling effect was realized by linear regression on the effect of key parameters. The results show that natural gas first absorbs heat at high temperature and cracks into CO and H2, which helps to improve the volume fraction and reduction potential of CO and H2 in the gas and promote the indirect reduction reaction. Natural gas injection into blast furnace leads to the rapid increase in the bosh gas volume and the rapid decrease in the theoretical combustion temperature. The change of humidity has a great influence on the bosh gas volume and the theoretical combustion temperature, followed by the oxygen enrichment. However, the blast temperature has a mild influence due to the limited potential to change relatively.     

喷吹天然气条件下高炉主要工艺参数的研究

摘要：随着高炉喷吹天然气技术的应用推广,需要对天然气在高炉内的热力学行为及其操作参数的变化进行研究。利用热力学第二定律,分析了喷吹天然气在高炉内的热力学还原行为。并以物料平衡和热量平衡模型为基础,探讨了鼓风富氧、鼓风温度、鼓风湿度等工艺参量对喷吹天然气后高炉炉腹煤气量和风口回旋区理论燃烧温度的影响及其变化。利用高炉操作参数对炉腹煤气量和理论燃烧温度影响结果进行线性回归,实现定量分析各因素之间的动态耦合效果。研究结果表明：天然气首先在高温下吸热裂解成CO和H2,有助于提高煤气中CO和H2的体积分数和还原势,促进间接还原反应的进行。高炉喷吹天然气导致炉腹煤气量快速升高,理论燃烧温度快速降低。鼓风湿度的变化对炉腹煤气量和理论燃烧温度影响很大,富氧率其次。而风温变化潜力有限,对炉腹煤气量和理论燃烧温度影响相对较小。     

有害元素对焦炭气化反应的影响及展望

摘要：焦炭在高炉冶炼过程中起着重要作用,其中焦炭的气化反应直接关系到其热态强度,并影响高炉内部的透气透液性能。综述了高炉内焦炭气化反应的研究现状,并讨论了焦炭气化反应的评价方法;阐述了有害元素K、Na、Zn和Cl对焦炭气化反应影响的研究进展。指出现有研究多着眼于焦炭和纯CO2或水蒸汽的气化反应,并且冶金工作者对企业通用的焦炭气化反应的测定方法和标准存在不同的看法。K、Na、Zn和Cl均对焦炭气化反应起催化作用,其中K、Na和Zn的催化机理包括氧传递、层间化合物和电子转移3种理论。建议进一步模拟高炉实际气氛和温度条件开展焦炭气化反应的研究工作,并对Cl元素对焦炭气化反应的影响机理进行深入探索。