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高炉风口内粉煤喷射多相流动的数值分析

陈清文

（计算机科学与信息工程系，致远管理学院，台南，中国台湾）

摘要：在CSC的3号高炉上，将粉煤喷射（PCI）系统从单喷枪喷射改为双喷枪喷射将有利于降低焦炭的成本。然而，在高炉工作期间，注入的煤太靠近风口的内壁可能会造成风口侵蚀。基于计算流体动力学软件PHOENICS，开发了一个三维数学模型，模拟了高炉风口内的流体流动。该模型能够用来处理粉煤喷射的稳态与三维多相流的数据。该模型采用了针对PCI系统的两种喷枪设计，可用于模拟风口内注入煤的流动模式和注入煤的分布情况，从而估算出风口侵蚀的可能性。模拟计算结果与CSC工厂的运作经验相一致，因此建议使用双喷枪的优化。该模型也可用于模拟煤/氧喷枪系统的不同氧富集的氧浓度分布情况，模拟计算结果与实验测量相一致。本文测试结果均表明，该模型相当有效可靠。

关键词： 高炉； 粉煤喷射； 两相流； 数值模拟； PHOENICS

Numerical Analysis for the Multi-phase Flow of Pulverized Coal Injection Inside Blast Furnace Tuyere

Wing-Wen Chen

(department of computer science and information engineering, diwan college of management,Tainan, Taiwan,China)

Abstract：The pulverized coal injection (PCI) system was modified from single lance injection into double lance injection at No.3 Blast Furnace of CSC. It is beneficial to reduce the cost of coke. However, the injected coal was found very close to the inner wall of the tuyere during the operation, such as to cause the possibility of erosion for the tuyere. In this study a three-dimensional mathematical model has been developed based on a computational fluid dynamics software PHOENICS to simulate the fluid flow phenomena inside blast furnace tuyere. The model was capable of handling steady-state, three-dimensional multi-phase flow of pulverized coal injection. The model was applied to simulate the flow patterns of the injection coal inside the tuyere with two kinds of lance design for the PCI system. The distribution of injection coal was simulated such as to estimate the possibility of erosion for the tuyere. The calculated results agreed with the operating experience of CSC plant and the optimum design of double lance was suggested. The model was also applied to simulate the oxygen concentration distribution with these different oxygen enrichments for the coal/oxygen lance system. The calculated results agreed with the experimental measurement. These test results demonstrate that the model is both reasonably reliable and efficient.

Keywords：Blast furnace； Pulverized coal injection； Two-phase flow； Numerical simulation； PHOENICS

1 前言

当前，为了寻找传统高炉的替代品，已经对许多新的炼铁方法进行了研究。然而，因为高炉法具有非常高的生产率和高的热利用效率，至今仍然是用于铁水生产的最广泛使用的技术。为了改善高炉工作性能，并减少焦炭消耗以降低成本，可通过风口将诸如重油、天然气和粉煤的辅助燃料注入高炉。石油是第二次石油危机之前首选的注入剂，但因为其价格大幅上涨，石油的使用变得不太经济。因此，许多高炉已经从部分注油转变为部分粉煤喷射（PCI）操作。中国钢铁公司在1988年开始在生产时注入煤粉，以保持其在钢铁市场的竞争地位^[1]。

在文献中已经提出许多高炉的数学模型^{[2],[3],[4],[5]}。这些模型大多是二维非稳态模型，考虑了高炉内的多相化学反应，相变，相间动量和热传递等因素。各种数学模型研究了不确定因素对煤粉燃烧特性的影响。对焦炭燃烧^[6]和PC燃烧^{[7],[8],[9],[10],[11]}的一维分析也进行了一些研究。

曾在CSC的3号高炉上尝试将煤粉喷射（PCI）系统从单喷枪喷射改为了双喷枪喷射。然而，改装后的风口内壁偶尔会被腐蚀。本文研究的目的是采用CFD软件PHOENICS，以两种不同的喷枪设计，模拟风口内注入煤的流动模式，并通过模拟注入煤粉的分布来估计风口侵蚀的可能性。最后通过计算的结果得出双喷枪的最佳设计方案。在模拟中，本文通过使用两相IPSA技术，研究了喷枪设计对煤粉分布和风口侵蚀可能性。

目前存在两种不同煤/氧喷枪配置的富氧方法：一种是在鼓风中的富氧，另一种是同轴喷枪的富氧。煤粉设置在每个喷枪的内管的中心注入。研究^[12]表明，因为通过常规喷枪的外管喷射的冷空气可有效防止纯氧和煤的湍流混合，所以同轴喷枪相对于常规喷枪来说可以使煤更为有效充分的燃烧。但在吹管内，鼓风空气的速度约为135~230 m/s，氧气浓度将快速降低。这个氧浓度是否足以支持煤粉的燃烧呢？本文通过研究这些不同的氧富集的氧浓度分布，建立数学模型，计算结果则用实验测量验证。潜在安排的模拟将有利于CSC决定PCI系统的最佳配置。

2 数值方案的理论描述

风口内粉煤流的物理性质涉及复杂的多相流现象，如气相流和固体颗粒相流。本文采用IPSA模型^[13]模拟了风口内的多相流，而没有考虑燃烧反应的影响。

2.1 控制多相流的微分方程

通过使用在风口内的粉煤流的模拟使用数值技术来解决控制多相流体流动现象的微分方程的问题。因此，对应于三维笛卡尔坐标系中的零发散和动量守恒的微分方程可以描述如下。

1)

(1)

其中，r_i表示第i相的体积分数。.

2)质量守恒方程：

(2)

所有相求和：:

(3)

其中，rho;_i表示第i相的密度；V_i表示第i相的局部速度；M_i表示单位体积质量。

3)动量守恒方程：

在X方向上的i相中：

(4)

在X方向上的所有相的总和：

(5)

4）物料守恒方程：

i相物料k：

(6)

物料k在所有相中的总和：

(7)

2.2 数值方法

用本构方程闭合并补充入初始和边界条件的两组动量和连续性方程式并不能得到解析解，因此必须使用数值技术来获得近似解。在本文中使用的数值方法IPSA是基于由Spalding开发的有限体积法^[13]，这实质上是SIMPLE算法在多相流中的应用。

相间滑移算法（IPSA）是用于两相流的求解。在IPSA中，应考虑两组守恒方程：一组用于轻相，另一组用于密相。使用一个猜想的压力场同时求解两组动量方程。然后将计算的速度场代入连续性方程，并检查隐含体积分数的要求。

r_l r_d=1 （8）

其中，r_l表示轻相的体积分数，r_d表示密相的体积分数。

然后对压力场进行校正，以消除这些误差，之后再校正速度和体积分数场。动量和连续性方程的解被迭代地重复，目的是消除误差并因此确保收敛。IPSA模型用于隐含地处理控制方程中的所有项，因此，消除了在显式有限差分技术中通常会遇到的时间步长限制，计算域由气-固分散体通过其移动的多个固定欧拉单元表示。标量变量（空隙率和压力）和速度分量均在单元中心定义，时间的偏导数由简单的一阶近似代替。对于两组守恒方程中的对流传输项的离散化，采用延迟校正技术，延迟校正技术是隐含逆风加显式中心有限差分。对于动量方程中的粘性传递项的离散化，采用具有二阶空间截断误差的中心的方法进行有限差分近似。

2.3 粉煤固相与气间相间拖曳力的处理

相间源包含相之间的扩散（如摩擦、热传递）和对流（与质量传递相关）链路。相间拖曳力以如下的一般形式表示：

（9）

其中，V_slip表示两相间的滑移速度；D_IP是I和J之间的阻力系数，单位NS/m，是由曳力模型决定的。

拖动模型对单粒子流略有修改^[13]。通过该模型计算的DIP公式如下：

（10）

其中，阻力系数C_D = max { 0.44，24·(1 0.15Re^0.687)/Re }，Re = r_c·V_slip·d_p/v，v表示热风运动层的流粘性，d_p是煤粉直径，为60 mu;m，r_c表示热风体积分数，r_d表示煤粉体积分数，V_slip表示两相之间的滑移速度，rho;_c表示热风密度。

3 测试用例描述及其对应的结果

3.1 用两种双喷枪设计风口内注入煤的流动模式模拟

图1为吹管、双喷枪和风口的几何构造。表1为吹风管出口附近的I型，II型和III型喷枪的布置。通过这种布置建立了具有两种双喷枪设计的风口内的流动模式的三维数学模型。表2给出了模拟中使用的物理参数，这种两相流系统的数值方法都是IPSA模型。采用K-ε湍流模型计算了系统中气相的湍流，在计算过程中忽略了固体的湍流分散。

图1 吹管、双喷枪和风口的几何构造

表1 吹风管出口附近的I型，II型和III型喷枪的布置

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