轉底爐用蓄熱式燒嘴的模擬

趙 凱，宮曉然，胡長慶，師學峰，齊淵洪

(1. 河北聯合大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063009；2.鋼鐵研究總院 先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室，北京 100081)

轉底爐(Rotary Hearth Furnace，簡稱RHF)工藝是一種煤基快速直接還原技術[1～4].該工藝思想最早由Ross公司(Midrex公司前身)提出，并于1964年開始進行規模試驗，從1978年在美國Ellwood市建成第一座具有商業意義的轉底爐INMETCO工藝起到現在轉底爐的發展已經有30多年的歷史[5～7].在轉底爐發展過程中，美國、德國、日本等國家都相繼投入力量開發研究，先后實現了工業化生產廠.目前，該技術已經逐漸趨于成熟并表現出一定的商業發展潛力.

轉底爐的工藝流程比較簡單(見圖1)：首先將含鐵原料(鐵精粉等)與還原劑(煤等)混勻造球；其次利用轉底爐煙氣的余熱烘干生球及預熱；最后利用轉底爐內高溫還原氣氛使含碳球團金屬化并進行渣鐵分離.

燒嘴作為轉底爐的加熱設備，對保持爐內的溫度和氣氛分布起著無可替代的作用[1～2].因此，對燒嘴的燃燒狀況進行模擬與分析，可以更好地掌握燒嘴噴出的氣流燃燒時的實際溫度分布情況，為實際生產提供理論支撐.

圖1 轉底爐工藝流程圖Fig.1 The process flow diagram of RHF

1 燒嘴的數學模型

1.1 燒嘴的物理模型

本文以轉底爐所用蓄熱式燒嘴為模擬對象.采用三維模型(見圖2，圖3)來模擬燒嘴燃燒時在不同工藝條件下，燃料(丙烷)與空氣流場對燃燒時火焰的中心溫度、周圍的溫度場分布以及各個組分的摩爾分數的影響.在劃分網格與分析氣體燃燒溫度和流動時作如下簡化和假設：(1)氣體為不可壓縮的流體；(2)忽略氣體的相變；(3)模型壁面無穿透，忽略壁面傳熱.

圖2 燒嘴Gambit模型 Fig.2 The model of nozzle in Gambit

圖3 燒嘴網格圖Fig.3 The grid of nozzle

1.2 數學模型

1.2.1 控制方程

(1) 連續性方程:

(1)

(2) 動量方程：

(2)

(3) 組分方程：

(3)

(4) 能量方程：

(4)

(5) 理想氣體狀態方程：

(5)

式中:ωs為組分s的質量分數，%；Ms為組分s的摩爾質量,g·mol-1；Rs為組分s的消耗速率；h為混合物焓，J；q為反應熱，J；ρ為丙烷氣體的密度，kg·m-3；D為擴散系數，m2·s-1；λ為導熱系數，W/(m·K)；μ為黏性系數，Pa·s；p為壓強，Pa；u為瞬時速度；x為直角坐標分量.

1.2.2 邊界條件

(1) 出口設定為自由出口；

(2) 燒嘴模型入口設定為速度入口，燃料(丙烷)與空氣混合氣體的密度、熱容量、導熱系數和黏度均采用Fluent組分傳輸模型Propane-air-2-step中提供的數據；

(3) 壁面設定為無滑移定壁溫條件，選定壁面材料為鋁，密度為2 719 kg/m3，比熱容為841 J/(kg·K)，熱導率為202 W/(m·K)，外壁耐材導熱系數較低，因此忽略對外散熱.

1.2.3 模型求解

利用Gambit2.3.16對燒嘴進行幾何建模并且采用Cooper網格進行劃分網格.對控制方程進行離散求解，離散采用二階差分格式.文中流動模型采用低壓層流模型，燃燒模型選擇組分傳輸模型中的Propane-air-2-step模型，不同溫度下的化學反應速率遵循Arrhenius定律.連續性方程、動量方程和組分守恒方程收斂殘差標準均為10-3，能量方程收斂殘差標準均為10-6.

2 模擬結果分析與討論

2.1 網格精度的影響

為了解網格精度對模擬結果的影響，首先采用三種不同的網格精度對模型進行劃分，詳細網格劃分數據如表1.

表1 網格模型劃分數據

在同等工藝參數條件下，對三種不同網格精度的模型進行模擬計算，得到丙烷在不同網格精度條件下最高燃燒溫度見表2.

表2 不同精度條件下燃燒溫度對比

由表2知，當網格精度Interval分別為1和1.5時較為接近丙烷在空氣中充分燃燒時的理論溫度2 270 K(1 997 ℃)；由表1知，當Interval=1.5時，網格數為23 724個，僅為Interval=1時網格數的30%，這在模擬過程中可大大節省計算時間.綜合計算精度高低與計算時間長短可得，當Interval=1.5時完全達到模擬的要求，故后續均選擇Interval=1.5時劃分的網格進行模擬.

2.2 空燃比的影響

2.2.1 空燃比對燃燒溫度的影響

在其他工藝參數一定的情況下，只改變空燃比見表3.在不同空燃比下進行模擬計算，以此來考察分析空燃比對燃燒溫度的影響，其模擬結果如圖4所示.

表3 空氣-燃料比

圖4 溫度隨空燃比變化曲線 Fig.4 Temperature curve vs air-fuel ratio

由圖4可知，當空燃比在18～38時，燒嘴燃燒溫度可以穩定地保持在 2 110 K(1 837 ℃)以上.當空燃比低于18，或高于38，燒嘴燃燒溫度就會下降至2 080 K(1 807 ℃) 左右.這是因為：當空燃比過高時，雖燃料充分燃燒，但空氣嚴重過量，燒嘴上半部分幾乎全部被空氣占據，對流換熱嚴重，使過多溫度較低的空氣帶走了一部分熱量，導致燒嘴溫度較低(見圖5)；當空燃比過低時，由于空氣量不足，火焰燃燒物中CO比例較大，導致燃燒火焰較短，致使燃燒不充分(見圖6)，同時，溫度較低的燃料過多也帶走了一部分熱量.另外，對比圖5和圖6，雖然空燃比為50時CO最高摩爾分數為0.0125，略高于空燃比為15時的0.0114，但前者CO所占體積遠遠小于后者，其所產生的總量也遠遠小于后者.在實際生產過程中，轉底爐分為還原區、熔分區和冷卻區，因此可根據每個區所要求的溫度，對燒嘴的空燃比進行調節，以達到各個溫區所要求的最佳效果.

圖5 空燃比為50時CO摩爾分數Fig.5 Mole fraction of co when air-fuel ratio is 50

圖6 空燃比為15時CO摩爾分數Fig.6 Mole fraction of co when air-fuel ratio is 15

2.2.2 空燃比對氣氛的影響

轉底爐內球團發生的反應屬于直接還原反應，其對還原氣氛有著嚴格的要求，按理論分析爐內應是完全的還原氣氛，無氧化氣氛存在.只有如此方能保證球團還原得徹底以及防止還原之后的球團二次氧化[8～10].轉底爐內發生的反應為：

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

(6)

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

(7)

FeO+CO=Fe+CO2

(8)

CO2+C=2CO

(9)

由上述反應式可以看出，為保證直接還原的效果，空氣中的氧氣必須被燃料完全耗盡，轉底爐內燃料燃燒后的剩余氣體應是CO、CO2、N2和NOx混合物.

圖7 O2摩爾分數隨空燃比變化圖Fig.7 Mole fraction of O2 vs air-fuel ratio

圖7為O2摩爾分數w(O2)隨空氣-燃料比的變化曲線.由圖可以看出，在空燃比小于29時，隨著空燃比的增大，w(O2) 也會隨之快速增長，這是由于快速增加的O2量遠遠大于燃燒所需；當空燃比大于40時，w(O2) 隨著空燃比的變化會略有增加，但變化不大，這是由于此時空氣基數較大，而燃料消耗的O2一定，故w(O2)變化幅度不明顯.

圖8 O2摩爾分數Fig.8 Mole fraction of O2

圖9 CO2摩爾分數Fig.9 Mole fraction of CO2

圖10 CO摩爾分數 Fig.10 Mole fraction of CO

圖11 N2摩爾分數 Fig.11 Mole fraction of N2

由圖8可以看出，在火焰末端，O2摩爾分數小于0.01，所占量非常小，而且剩余的氧會在高溫下與轉底爐內含碳球團表面的過剩的C發生反應生成CO；由圖9可以看出，反應(9)還沒有發生時，反應生成的CO2其摩爾分數最高約0.1，經計算表明，燃料已經完全燃燒；由圖10可以看出，在火焰初始段CO摩爾分數最高約為0.012，此數值明顯高于火焰末端的0.007，這是由于在燃料進口端燃料相對充足，碳不完全燃燒的緣故；由圖11可以看出，燒嘴內的N2摩爾分數在出口端大于0.71，N2摩爾分數高可以有效保護轉底爐內的還原氣氛.另外，燃燒還會有一定量的H2O和NOX產生，但是由于量很小，其摩爾分數均在10-4以下，且對轉底爐氣氛沒有破壞，故在此不做分析.

3 結 論

通過對丙烷在轉底爐采用的加熱設備——蓄熱式燒嘴中的燃燒蓄熱過程進行模擬，確定了模擬計算所要求的網格精度，并分析了空氣-燃料比對丙烷燃燒溫度和各組分的摩爾分數及CO生成率的影響，結論如下：

(1)計算表明：當網格精度選取為Interval=1.5時，燃燒溫度較為接近丙烷理論燃燒溫度，且網格數量僅為Interval=1時網格數的30%，這可大大減少計算時間.因此本模擬的最佳網格精度選為Interval=1.5.

(2)空氣-燃料比對燃燒溫度會產生不同程度的影響：當空燃比在18～38時，燃燒溫度可穩定保持在 2 110 K(1 837 ℃) 以上；當空氣-燃料比低于18時，燃燒溫度與空氣-燃料比呈正比關系，燃燒溫度處于2 080～2 110 K(1 807～1 837 ℃)之間；當空氣-燃料比高于38時，燃燒溫度與空氣-燃料比呈反比關系，燃燒溫度處于 2 080～2 110 K(1 807～1 837 ℃)之間.

(3)空氣-燃料比發生變化時，燒嘴內各組分的摩爾分數會發生變化.O2的摩爾分數所占量小，而N2的摩爾分數較高，CO2的摩爾分數最高約0.1，并且當空燃比為15時，CO產生的總量相對較高.

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