煤粉與含鐵除塵灰高爐混合噴吹的數(shù)值模擬

朱朋選， 高強(qiáng)健， 肖旭杭， 鄭海燕， 姜 鑫， 沈峰滿

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院， 沈陽 110819）

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生含鐵除塵灰（ironbearing dust， IBD），其中富含可回收利用的Fe 和C 等元素.近年來，鋼鐵企業(yè)的除塵灰產(chǎn)生總量約占鋼產(chǎn)量的10%［1］，其對(duì)環(huán)境的影響極其嚴(yán)重.最簡(jiǎn)單的除塵灰處理方法是燒結(jié)法，即將除塵灰和鐵礦粉混合后進(jìn)行燒結(jié)生產(chǎn)［2-4］.但是除塵灰的粒度較小且成分不穩(wěn)定，它的添加會(huì)影響到燒結(jié)礦料層的透氣性，造成燒結(jié)利用系數(shù)降低，進(jìn)而影響燒結(jié)礦的質(zhì)量［5］.

高爐噴煤具有工藝流程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)點(diǎn)［6-8］，若將除塵灰以粉體形式噴進(jìn)高爐可大大降低其處理難度.有研究表明［9］，適量添加除塵灰會(huì)加快煤粉的燃燒速率，這是因?yàn)槌龎m灰中的鐵氧化物促進(jìn)了煤粉的碳氧反應(yīng)，對(duì)煤粉燃燒起到催化作用.而這種作用遠(yuǎn)大于風(fēng)口溫度降低造成未燃煤粉堆積所帶來的不利影響，故適量添加除塵灰還可使?fàn)t料的透氣性不宜惡化.綜上所述，除塵灰和煤粉高爐混合噴吹后，不僅可以回收除塵灰，實(shí)現(xiàn)固廢再利用，還可為高爐補(bǔ)充鐵源和碳源.

本文中擬采用數(shù)學(xué)模擬方法建立煤粉與除塵灰混合噴吹的模型；著重考慮煤粉和除塵灰混合噴吹的物理化學(xué)過程，尤其是高風(fēng)溫條件下噴吹除塵灰對(duì)煤粉燃燒特性的影響及高爐下部燃燒過程的變化；分析混合噴吹后煤粉在高爐內(nèi)燃燒過程中風(fēng)口回旋區(qū)溫度分布、煤氣成分，以及煤粉燃盡率的變化；探究除塵灰噴吹量對(duì)煤粉燃盡率及高爐風(fēng)口回旋區(qū)最高溫度的影響，并給出煤氣成分的變化趨勢(shì).該研究結(jié)果以期為高爐煉鐵過程煤粉與除塵灰的混合噴吹提供一定技術(shù)參考，為含鐵除塵灰的再利用提供新思路.

1 數(shù)學(xué)模擬

高爐噴煤屬于氣固兩相流態(tài)化過程，其運(yùn)動(dòng)過程和燃燒反應(yīng)非常迅速和復(fù)雜，因此通過實(shí)驗(yàn)研究揭示高爐噴煤黑箱過程的難度巨大.為了更好地揭示相關(guān)物理化學(xué)過程的變化規(guī)律，可采用數(shù)學(xué)模擬方法為冶金過程的黑箱操作問題提供解決方案，本研究中涉及到的數(shù)學(xué)模型如下所示.

1.1 氣相模型

由于高爐內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜且氣相連續(xù)，主要的流動(dòng)形式為湍流，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型描述氣相流動(dòng).在流體運(yùn)動(dòng)過程中，氣體遵循質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程.

質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為流體密度；u，v為x，y運(yùn)動(dòng)方向矢量的分量；t為時(shí)間.

動(dòng)量守恒方程：

式中：τyx，τxy分別為作用在流體表面x，y方向的黏性分量；Fx，F(xiàn)y為流體微元體x，y方向的分量體力；ρ為空氣密度.

能量守恒方程：

流體內(nèi)能i、勢(shì)能p與動(dòng)能k之和定義為流體的總能量E.根據(jù)內(nèi)能i與溫度T的關(guān)系，可得

式中：u為流體傳熱系數(shù)；cp為流體比熱容；kt為流體動(dòng)能；St為黏性耗散項(xiàng).

1.2 顆粒模型

高爐噴煤過程是典型的氣固兩相流運(yùn)動(dòng).在流動(dòng)過程中，將固體顆粒看作離散相，它同樣遵循質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程.

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：mp為顆粒的質(zhì)量；Cp為顆粒比熱；Tg為氣相溫度；Tp為顆粒溫度；Nu為努塞爾數(shù)；Hreac為反應(yīng)熱；Ap為顆粒反應(yīng)面積；I為輻射強(qiáng)度；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù).

1.3 燃燒模型

采用雙反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)模型來描述揮發(fā)分析出過程.不同溫度下模型相應(yīng)的熱解反應(yīng)如下所示.

揮發(fā)分生成速率：

式中：mVM為煤粉中揮發(fā)分的質(zhì)量；k1為低溫條件下脫揮發(fā)分的速率值；k2為高溫條件下脫揮發(fā)分的速率值；m0為煤粉去除灰分的質(zhì)量；a1，a2為化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量系數(shù)，a1，a2分別取3.7×105，1.46×1013s-1.

當(dāng)揮發(fā)分析出后，揮發(fā)分與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)類型為渦耗散模型，具體的反應(yīng)式如下所示：

經(jīng)熱解后，煤粉的揮發(fā)分會(huì)析出，因此固定碳顆粒采用動(dòng)力／擴(kuò)散-限制速率模型來描述.

式中：mh為固定碳顆粒重量變化率；dp為固定碳顆粒直徑；ρ為顆粒密度；Yss為固定碳周圍氣氛中氧化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

固定碳顆粒與CO2，H2O 的反應(yīng)式如下所示：

1.4 輻射模型

考慮到氣固兩相的輻射換熱，本模擬中采用P1 輻射模型，使顆粒輻射產(chǎn)生的熱源包含在能量方程中，如式（19）所示.

式中：qr為輻射通量；Ep為粒子的等效輻射；ap為粒子的等效吸收系數(shù)；n為介質(zhì)折射率；a為吸收系數(shù)；G為入射輻射；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù).

1.5 焦炭床模型

考慮到焦炭對(duì)回旋區(qū)煤粉-除塵灰燃燒的影響，將焦炭作為多孔介質(zhì).其動(dòng)量源項(xiàng)如下所示：

式中：γ為空隙率（對(duì)于空腔，γ＝1）.

根據(jù)Ergun 方程，焦炭床的動(dòng)量源項(xiàng)為

式中：P為動(dòng)量源項(xiàng)；U為平均氣體流速.

在高爐的實(shí)際運(yùn)行過程中存在著能量損耗，如FeO，F(xiàn)e2O3與焦炭反應(yīng)、爐膛散熱等，這些均會(huì)降低焦炭區(qū)域的溫度.為降低它們的影響，引入焦炭熱量耗散公式：

式中：ACoke為焦炭表面積；Hg為氣體與焦炭表面對(duì)流換熱系數(shù).

高爐內(nèi)焦炭主要參與燃燒反應(yīng)和熔損反應(yīng)，如式（23）～（24）所示.

假定焦炭顆粒為球型，直徑為30 mm，焦炭的反應(yīng)速率根據(jù)Field 模型來確定.

式中：xi為反應(yīng)氣體組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，式（23）中i指O2，式（24）中i指CO2；Dref為動(dòng)態(tài)擴(kuò)散系數(shù)；rcoke為焦炭半徑；P為壓強(qiáng)；PA為大氣壓強(qiáng)；Tref為參考溫度，取293 K；Tg為氣體溫度；Ac為指前因子；E為活化能.

1.6 回旋區(qū)形狀預(yù)測(cè)

根據(jù)昆鋼2 000 m3高爐的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)［10］，操作參數(shù)與回旋區(qū)尺寸的關(guān)系如下所示：

式中：D為回旋區(qū)深度；H為回旋區(qū)高度；E為鼓風(fēng)動(dòng)能；M為噴煤比；n為高爐風(fēng)口數(shù)；V為鼓風(fēng)速度；Dpc為焦炭的平均直徑.

1.7 幾何模型建立

本研究中對(duì)Shen 等［11］建立的噴煤系統(tǒng)幾何模型進(jìn)行改進(jìn)，焦炭層采用多孔介質(zhì)模型［12］，孔隙率設(shè)為0.4，焦炭層的黏性助力系數(shù)和慣性助力系數(shù)采用式（21）進(jìn)行計(jì)算.模型本體上寬2.7 m，下寬2.5 m，高3.2 m；直吹管直徑0.2 m，長(zhǎng)0.8 m，與本體夾角為8°.圖1 為該模擬的幾何網(wǎng)格劃分.

圖1 幾何網(wǎng)格劃分Fig.1 Geometric mesh division

1.8 模擬參數(shù)

本研究中模擬參數(shù)是基于某典型高爐的實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，具體如表1 和2 所列.

表1 煤粉粒徑分布Table 1 Particle size distribution of pulverized coal

表2 模擬計(jì)算參數(shù)Table 2 Simulation calculation parameters

2 研究方案

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

利用某典型高爐的實(shí)際噴吹參數(shù)，探究不同除塵灰噴吹量對(duì)于高爐內(nèi)溫度、煤氣流分布、煤粉燃盡率的影響.表3 列出了不同除塵灰噴吹量情況下，混合粉體（煤粉與除塵灰）的灰分、揮發(fā)份及固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況.

表3 不同除塵灰噴吹量試樣的工業(yè)分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Industrial analysis of samples with different IBD proportions（mass fraction） %

鋼鐵生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的除塵灰主要包括燒結(jié)除塵灰、高爐除塵灰、轉(zhuǎn)爐除塵灰及電爐除塵灰.本模擬中使用的是某企業(yè)典型的高爐除塵灰，該除塵灰中鐵氧化物含量高、堿金屬含量較低，適合用于高爐噴吹，具體化學(xué)成分如表4 所列.

表4 除塵灰的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 4 Chemical composition of IBD （mass fraction）%

2.2 模型驗(yàn)證

采用煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，使用的設(shè)備為立式煤粉燃燒爐.實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示：煤粉立式燃燒爐的發(fā)熱體為硅碳棒，爐管為高鋁管；爐底燃燒產(chǎn)物使用未燃燒煤粉收集器霧化裝置進(jìn)行收集.根據(jù)模擬噴煤條件，設(shè)定煤比為140 kg／t，粉氣比為0.5 g／L，溫度為1 473 K.

圖2 噴煤設(shè)備及煤槍示意圖Fig.2 Coal injection equipment and coal lance diagram

燃盡率的測(cè)定采用灰分平衡法實(shí)現(xiàn)，具體見文獻(xiàn)［13］.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比可知：當(dāng)未噴入除塵灰時(shí)，燃盡率的模擬值為70.50%，實(shí)驗(yàn)值為68.64%；當(dāng)除塵灰噴吹量為6%時(shí)，燃盡率的模擬值為67.80%，實(shí)驗(yàn)值為66.33%.燃盡率的實(shí)驗(yàn)值與模擬值基本一致，經(jīng)計(jì)算相對(duì)誤差僅為2.40%.這說明兩者契合度較高，確保了該數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性.

3 結(jié)果分析

3.1 除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)溫度分布的影響

在高爐煤粉與除塵灰混合噴吹的過程中，除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)溫度分布的影響如圖3 所示.由圖3 可知，隨著除塵灰噴吹量由0 增至10%，高爐內(nèi)溫度發(fā)生明顯的變化，高溫區(qū)呈縮小趨勢(shì).這是因?yàn)槌龎m灰的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、灰分物質(zhì)較多，當(dāng)煤粉與除塵灰混合時(shí)，混合粉體中綜合灰分增多，固定碳和揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，使得發(fā)熱量降低，進(jìn)而引起爐內(nèi)的最高溫度降低.當(dāng)未噴入除塵灰時(shí)，回旋區(qū)最高溫度為2 519 K.而當(dāng)除塵灰噴吹量為10%時(shí)，高爐最高溫度僅為2 389 K.通過計(jì)算可得，除塵灰噴吹量每增加1%，爐內(nèi)最高溫度平均降低13K.通常要求高爐煉鐵理論燃燒溫度不低于2 200 ℃（2 473 K）［14］，考慮到高爐冶煉的實(shí)際情況，故除塵灰的噴吹量不宜超過4%.

圖3 除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)溫度的影響Fig.3 Influence of ash injection amount on temperature in furnace

3.2 除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)CO 分布的影響

在高爐煤粉與除塵灰混合噴吹的過程中，除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)CO 分布的影響如圖4 所示.由圖4 可知：當(dāng)除塵灰噴吹量由0 增至10%時(shí)，爐內(nèi)CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始逐漸降低.這主要是因?yàn)殡S著除塵灰噴吹量的增加，混合粉體中固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)減少，而碳元素減少就會(huì)引起爐內(nèi)CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低.混合粉體中每增加一定比例的除塵灰，固定碳和揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就會(huì)減少，進(jìn)而導(dǎo)致高爐的溫度降低，這結(jié)果與圖4 中的溫度分布相一致.此外，由于碳的溶損反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，爐內(nèi)溫度降低會(huì)不利于溶損反應(yīng)的正向進(jìn)行，同樣能造成爐內(nèi)CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低.

圖4 除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)CO 分布的影響Fig.4 Influence of ash injection amount on CO distribution in furnace

3.3 除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)CO2 分布的影響

在高爐煤粉與除塵灰混合噴吹過程中，除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)CO2分布的影響如圖5 所示.由圖5 可知，沿水平方向，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后減少的趨勢(shì).這是由于沿著水平方向，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減低，在距離風(fēng)口2 m 處消耗殆盡，所以在距離風(fēng)口2 m 處后CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)也逐漸降低.隨著除塵灰噴吹量的增加，混合粉體中固定碳含量減少，這也使得爐內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì).

圖5 除塵灰噴吹量對(duì)爐內(nèi)CO2 分布的影響Fig.5 Influence of ash injection amount on CO2 distribution in furnace

3.4 除塵灰噴吹量對(duì)煤粉燃盡率的影響

為了評(píng)價(jià)噴入粉體的燃燒特性，通常使用燃盡率來表征燃燒效率.燃盡率是根據(jù)灰分平衡法來定義的，其表達(dá)式如下所示：

式中：ma，0為初始灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ma為某時(shí)刻灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù).

通過計(jì)算可以得出，隨著除塵灰噴吹量的增加，混合粉體的燃盡率逐漸下降.這是因?yàn)槌龎m灰的噴入使得混合粉體中灰分增多，而有效碳含量降低.當(dāng)除塵灰噴吹量為0，2%，4%，6%，8%，10%時(shí)，混合粉體的燃盡率分別為70.5%，69.1%，67.8%，66.1%，64.9%，63.1%.利用上述模型計(jì)算，在本研究條件下，每增加1%的除塵灰噴吹量，燃盡率就下降0.74%.而在高爐噴煤工藝中，通常要求煤粉的燃盡率應(yīng)不低于65%［14］，否則會(huì)造成未燃煤粉的堆積，影響高爐的透氣性.因此，從煤粉燃盡特性的角度分析，除塵灰噴吹量不宜超過6%.

3.5 混合粉體成分對(duì)燃盡率的影響

此外，本模型中也計(jì)算了混合粉體中灰分和揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)煤粉燃盡率的影響，具體結(jié)果如圖6 所示.由圖6 可知：混合粉體的燃盡率隨灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低，但隨著揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而升高.這是由于除塵灰中灰分物質(zhì)較多，同時(shí)也闡明了除塵灰的增加引起燃盡率逐漸下降的原因.

圖6 混合粉體中組分對(duì)燃盡率的影響Fig.6 Influence of components on burnout rate of mixed powder

4 結(jié) 論

（1）隨著除塵灰噴吹量的增加，爐內(nèi)最高燃燒溫度降低.在鼓風(fēng)富氧率為3%、風(fēng)溫為1 473 K的條件下，當(dāng)除塵灰噴吹量由0 增至10%時(shí)，爐內(nèi)最高燃燒溫度由2 519 K降至2 389 K.除塵灰噴吹量的比例每增大1%，爐內(nèi)最高燃燒溫度平均降低13 K.考慮到高爐冶煉實(shí)際情況，除塵灰噴吹量不宜超過4%.

（2）CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在高爐中心部位達(dá)到最大值，而CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿水平方向呈先增加后減少的趨勢(shì).在鼓風(fēng)富氧率為3%、風(fēng)溫為1 473 K的條件下，隨著除塵灰噴吹量的由0 增至10%，爐內(nèi)CO 和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈下降的趨勢(shì).

（3）在煤塵混合噴吹過程中，隨著除塵灰噴吹量的增加，煤粉的燃盡率逐漸下降.在鼓風(fēng)富氧率為3%、風(fēng)溫為1 473 K的條件下，除塵灰噴吹量每增加1%，燃盡率下降0.74%.因此，考慮到高爐冶煉實(shí)際需要，應(yīng)在滿足高爐冶煉煤粉燃盡率的情況下確定除塵灰噴吹量.