煤粉燃燒率的數(shù)值模擬研究

宿立偉

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司,北京 100176)

煤粉燃燒率的數(shù)值模擬研究

宿立偉

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司,北京 100176)

噴煤技術(shù)是降低高爐焦比、降低生產(chǎn)成本的一項關(guān)鍵技術(shù),已經(jīng)在高爐煉鐵領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。提高煤粉在高爐內(nèi)的燃燒率,是降低燃料比非常重要的因素之一。本文通過數(shù)值模擬的方法,來研究幾種工況下噴入高爐的煤粉燃燒率,并且分別在不同煤比、不同富氧率、不同粒度、不同灰分、不同揮發(fā)分條件下對煤粉燃燒率進行了比較。

煤粉燃燒率 數(shù)值模擬 煤比 富氧率 粒度 灰分 揮發(fā)分

1 引言

研究清楚煤粉燃燒率的影響因素，可以對降低高爐燃料比有一定的指導(dǎo)意義。但是研究煤粉燃燒率的有效研究手段并不是很多。雖然可以通過檢測煤氣中的煤粉含量來計算某一高爐在某一條件下的煤粉燃燒率，但是實際生產(chǎn)中的高爐很難提供條件研究不同的變量條件下煤粉燃燒率的變化。由于煤粉噴入高爐以后，主要是在風(fēng)口回旋區(qū)進行燃燒，所以研究風(fēng)口回旋區(qū)的煤粉燃燒率可以近似等同于高爐內(nèi)煤粉燃燒率，本文通過數(shù)值模擬的方法，對煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)的燃燒率進行計算，研究不同變量對煤粉燃燒率的影響。

2 物理數(shù)學(xué)模型的建立

由于高爐回旋區(qū)形狀隨操作條件的變化而變化，而且現(xiàn)有的回旋區(qū)的研究結(jié)果中說法很多，差異很大，沒有形成一套系統(tǒng)的研究理論。而我們的研究重點是煤粉在回旋區(qū)內(nèi)的燃燒狀況，所以做如下基本假設(shè)[1][2][3]：

假設(shè)回旋區(qū)是一個長方體形狀；

回旋區(qū)中間部分認(rèn)為是空區(qū)，邊緣區(qū)域用多孔介質(zhì)模擬焦炭，認(rèn)為多孔介質(zhì)只起阻力作用，并不參與反應(yīng)。

按照礦焦比及礦石氧含量，計算出作為還原劑的焦炭質(zhì)量。其余的焦炭認(rèn)為是熱源，按照一定的轉(zhuǎn)換比，將其轉(zhuǎn)化為煤粉。

將煤粉看作離散相，顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對連續(xù)相的影響均未加以考慮。

根據(jù)以上假設(shè)，建立的物理模型及其網(wǎng)格劃分如圖1所示：

采用如下數(shù)學(xué)模型進行計算：

(1)κ-ε湍流模型；

圖1 回旋區(qū)物理模型及其網(wǎng)格

(2)非預(yù)混燃燒模型；

(3)離散相模型；

(4)P1輻射模型；

(5)能量方程。

表1 計算用煤粉參數(shù)

表2 煙煤和無煙煤的成分

3 計算結(jié)果及分析

表1給出了某噴吹煤種的成分，基于該煤粉條件下，分別計算煤比為100kg/t·HM、150kg/t·HM和200kg/t·HM時在不同風(fēng)溫條件下的煤粉燃燒率，計算結(jié)果如圖2所示。在風(fēng)溫分別為900℃、1100℃、1250℃時，在不同富氧率條件下煤粉燃燒率，計算結(jié)果如圖3所示。

通過計算結(jié)果可以看出，煤比越低煤粉燃燒率越高，風(fēng)溫越高煤粉燃燒率越高，富氧率越高煤粉燃燒率越高，但是提高風(fēng)溫對煤粉燃燒率的影響程度越來越小，同時提高富氧率對煤粉燃燒率提高的幅度影響也越來越小，當(dāng)富氧率達到5%以后，再提高富氧率，煤粉燃燒率不會有明顯的提高。

表2給了煙煤和無煙煤的成分，基于這兩個煤種計算煤粉燃燒率結(jié)果如圖4所示

從圖4可以看出，煙煤(高揮發(fā)分煤)的燃燒率要遠遠高于無煙煤(低揮發(fā)分煤)的燃燒率，主要是由于進入回旋區(qū)以后揮發(fā)分在達到一定溫度后分離出來，生成易燃的碳?xì)浠衔铮瑤缀跬耆紵詿熋旱娜紵室哂跓o煙煤。

在表1的煤種條件下，計算不同粒度對煤粉燃燒率的影響，計算煤粉粒度分別為150目(大約為106μm)、200目(大約為75μm)和250目(大約為58μm)的燃燒率，結(jié)果如圖5所示。通過計算結(jié)果來看，粒度越小，煤粉燃燒率越高，但是對煤粉燃燒率的影響程度越來越小。

圖2 風(fēng)溫對煤粉燃燒率的影響

在表1的煤種條件下，計算不同灰分對煤粉燃燒率的影響，計算煤粉灰分分別為9%，10%和11%情況下的燃燒率，結(jié)果如圖6所示。通過計算結(jié)果來看，灰分越大煤粉燃燒率越低，而且對煤粉燃燒率的影響程度并不隨著灰分的增加而降低。

圖3 富氧率對煤粉燃燒率的影響

圖4 揮發(fā)分對煤粉燃燒率的影響

4 結(jié)語

(1)煤比越低煤粉燃燒率越高，風(fēng)溫越高煤粉燃燒率越高。

(2)富氧率越高煤粉燃燒率越高，但是風(fēng)溫提高對煤粉燃燒率的影響程度越來越小。

(3)煙煤(高揮發(fā)分煤)的燃燒率要遠遠高于無煙煤(低揮發(fā)分煤)的燃燒率。

(4)粒度越小，煤粉燃燒率越高，但是對煤粉燃燒率的影響程度越來越小。

圖5 粒度對煤粉燃燒率的影響

圖6 灰分對煤粉燃燒率的影響

(5)灰分越大煤粉燃燒率越低，而且對煤粉燃燒率的影響程度并不隨著灰分的增加而降低。

[1]福武剛.高爐回旋區(qū)和爐缸工作文集.冶金工業(yè)出版社.

[2]S.RAJNEESH, S.SARKAR etal. Prediction of Raceway Size in Blast Furnace from Two Dimensional Experimental Correlation.ISIJ International, vol.44,2004.

[3]T.Suzuki, T.Uehara and H.Akedo, Combustion characteristics of pulverized coal for blast furnace coal injection, Ironmaking Conference Proceedings,Vol.49,1990.