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有色金属科学与工程第 8 卷 第 2 期 2 0 17 年4月 Vol.8，No.2 Apr. 2017NonferrousMetals Science and Engineering 文章编号1674-9669 （ 2017）02-0008-06 DOI10.13264/ki.ysjskx.2017.02.002 收稿日期2016-09-22 基金项目国家自然科学基金资助项目（51234002） 通信作者杜开平（1987-），男，博士，工程师，主要从事冶金反应过程数值模拟等方面的研究，E-mail dukaiping. 熔融气化炉风口回旋区冶炼特征的数值模拟研究 杜开平 1, 2， 赵世强 2， 吴胜利 2 （1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京100083） 摘要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. 关键词熔融气化炉；风口回旋区；冶炼特征；数值模拟 中图分类号TF531文献标志码A Numerical simulation of smelting characteristics around raceway in melter gasifier DU Kaiping1, 2, ZHAO Shiqiang2, WU Shengli2 1. Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100160, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China AbstractIn comparison with blast furnace, pure oxygen instead of air is injected into melter gasifier. Thus, there is a great difference between melter gasifier and blast furnace in the mass, momentum, heat transfer and gas distribution. A two-dimensional mathematical model at steady state was developed to describe the gas velocity, temperature and species distribution around raceway in melter gasifier. The results show that the gas temperature reaches above 3 500 K rapidly, due to the heat exchange with the burden and the heat release of combustion reaction with coke or semi-coke ed by lump coal. In addition, a small-scale gas circulation flow phenomenon is observed in front of tuyere. Thus, there is a serious damage in the front of tuyere which results in a higher unplanned blowing-down percentage. In order to decrease the gas temperature in the raceway to prevent the blowing-down, the appropriate hydrogen-rich fuel gas, including natural gas, coke oven gas, can be fed through the tuyere. Furthermore, it also reduces the solid fuel ratio and improves the reduction advantage of H2in the high temperature to enhance the smelting efficiency of melter gasifier. Keywordsmetler gasifier; raceway; smelting characteristics; numerical simulation 万方数据 COREX熔融还原炼铁工艺是近年来逐渐成熟的 新型非高炉炼铁工艺，已在南非、韩国、印度和中国实 现工业化生产.COREX熔融还原炼铁装置由上部预 还原竖炉和下部熔融气化炉2个相对独立的冶金装 置组成.根据熔融气化炉内炉料的物理状态及化学反 应的不同条件，熔融气化炉由上到下可划分为4个区 域拱顶、填充床、风口回旋区及炉缸，如图1所示. 作为熔融气化炉还原煤气及热量的发源地，风 口回旋区对于熔融气化炉的冶炼起着决定性作用.如 同高炉一样，熔融气化炉为封闭的冶炼装置，且内部 冶炼环境十分复杂， 操作人员无法直接观察和测量 炉内状态，因而，只能通过生产经验判断炉内冶炼状 况来进行生产操作.尽管传统理论燃烧温度计算模型 从热力学角度对风口回旋区内煤气温度进行了求 解， 但其存在不能兼顾动力学以及无法体现风口回 旋区内煤气温度场分布等不足之处.因而，国内外炼 铁工作者逐渐采用数值模拟的方法研究风口回旋 区，以期再现其冶炼特征. Kuwabara[1]和He[2]等通过建立高炉风口回旋区一 维数学模型，考察了其内部燃烧现象，并探讨了喷吹 煤粉对风口回旋区内还原煤气浓度场及温度场的影 响.但是，一维数学模型忽略了风口回旋区形状及大 小的作用， 其结果不足以应用于生产实践.Aoki[3]、 Takeda[4]以及Nogami等[5]假设风口回旋区形状及尺 寸，建立了高炉风口回旋区二维数学模型，详细分析 了风口流速、富氧率、喷出煤粉等因素对风口回旋区 内冶炼状态的影响.随着模拟技术的发展，Shen等[6-7] 进一步建立了高炉风口回旋区三维数学模型， 并为 高炉喷吹煤粉提供了有力的理论支持. 尽管炼铁工作者对高炉风口回旋区做了大量工 作， 但由于熔融气化炉风口采用常温纯氧以代替富氧 热风，因而，熔融气化炉风口回旋区的燃烧状态明显不 同于高炉， 且风口理论燃烧温度更是达到了3 273 K 以上[8-10].然而，目前熔融气化炉风口数学模型更多的 关注于风口形状[11]和气固两相速度分布[12]，忽略了更 为重要的气体温度分布特征.综合而言，高炉风口回 旋区的数值模拟研究为熔融气化炉风口回旋区的研 究提供了大量积累.但鉴于熔融气化炉风口回旋区特 殊的冶炼特征，有必要进一步对其开展数值模拟研究 工作， 进而明确熔融气化炉风口回旋区冶炼特征，为 实际生产操作提供理论指导. 1模型的建立与验证 1.1控制方程和化学反应 本模型中，还原气体和固体焦炭（半焦）均视 为采用Eulerian方法的连续相.气固两相流的计算 采用二维稳态Navier-Stokes方程.稳态条件下的 质量、动量、能量以及组分传输守恒方程可统一如 式（1）所示[13-14]. ▽ （εjρj ψv → j）▽ （εjΓψ▽（ψ））Sψ （1） 式（1）中εj为j相在炉内的体积分数；ρj为j相密度， kg/m3； v → j为j相的矢量速度，m/s；ΓΨ为有效扩散传递 系数；Sψ为变量ψ的源项. 采用Ergun方程[15]计算气固两相间阻力项（动量 守恒方程中的源项之一），其表达式为式（2）. F →gs-[150εs（1-εg）μg εgds 1.75 ρgεs v → s -v → g ds ]（ v → s -v → g） （2） 式（2）中F → gs为气固两相间阻力，N/m2；εj为j相在 炉内的体积分数；μg为气体黏度，kg /（ms）；ds为固 体颗粒直径，m； v → j为j相的矢量速度，m/s；ρg为气相密 度，kg/m3. 气固两相间温度的变化取决于对流传热、伴随着 质量传输的潜热传递以及料柱内复杂现象的散热.对 流传热的求解以Ranz-Marshall方程为基础，其表达 式如式（3）所示[16-17]. Egsγ λg ds （2.00.6Re 1/2 s Pr 1/3 g ）As（Tg-Ts）（3） 式（3）中Egs为对流传热量，W/m3；γ为修正系数； λg为气相导热系数，W/（mK）；ds为固体颗粒直径， m；Res为雷诺数；Prg为普朗特数；As为固体颗粒比表 面积，m-1；Tj为j相温度，K. 图1熔融气化炉结构模型示意 Fig. 1Schematic diagram of melter gasifier 氧气，粉尘 风口回旋区 炉缸 填充床 拱顶 还原煤气 DRI 煤，焦炭 杜开平，等熔融气化炉风口回旋区冶炼特征的数值模拟研究第8卷 第2期 9 万方数据 图2熔融气化炉风口回旋区模型结构 Fig.2Schematicdiagramofmeltergasifierracewaymodel 熔融气化炉实际冶炼过程中，在料柱内存在铁氧 化物直接还原、固液热传递、Si以及其它非金属元素 化学反应等复杂现象，使得料柱温度远低于风口回旋 区.为简化模型并提高计算精度，本模型仅专注于风 口回旋区，故无法全面涵盖上述复杂现象.为兼顾上 述复杂现象，本模型假设料柱内存在散热源，其表达 式如式（4）所示[7]. Scoke-hgAs（Tg-T0）（4） 式（4）中Scoke为料柱内散热源，W/m3；hg为气相热传递 系数，W/（m2K）；As为固体颗粒比表面积，m-1；Tg为气 相温度，K；T0max0.75 Tg, 1 773. 模型考虑的化学反应汇总于表1，各反应的速率 模型亦列于表1中.碳燃烧反应及碳素熔损反应为异 相反应，基于异相反应速率模型计算其反应速率[1, 3]； 采用有限速率模型计算CO燃烧反应速率[18]. 1.2数值模型和边界条件 熔融气化炉风口回旋区的二维模型如图2所示. 根据空隙度差异，风口回旋区物理模型可划分为3部 分填充床、死料柱及风口回旋区，其空隙度分别为 0.35、0.2及0.75[7, 19].对于填充床而言，假设其顶部为 炉顶压力，且等压线基本水平.对于死料柱而言，假设 风口以下1 m区域无煤气流动， 视为死料柱底部边 界.对于风口回旋区而言，假设其形状为“气泡形”，根 据实际生产测量可得其深度为0.7 m[20].此外，风口直 径为0.03 m[21].死料柱形状采用径向位置的四次方公 式计算[22]，该公式计算的死料柱轴向对称且正切于风 口回旋区底部. 熔融气化炉风口的典型生产操作参数如表2[21, 23] 所示.数学模型的边界条件参考表2中数据进行设置. 对于气体而言， 其入口设置为速度入口边界条件，顶 部出口设置为压力出口边界条件； 对于固体炉料而 言，其顶部入口设置为速度入口边界条件，底部出口 设置为流动出口边界条件.同时，壁面设置为无滑移 条件，且壁面温度假设为300 K. 为方便计算，本模型采取以下假设①仅考虑还原 煤气和固体炉料的相互作用， 忽略粉末相、 液相的存 在；②还原煤气组分仅包括O2、CO及CO2；③固体炉料 组分仅包括焦炭（或块煤形成的半焦），假设其由石墨 和无定型碳构成， 其有效生成焓为-1.2107J/kmol[14]； ④填充床、死料柱及风口回旋区的空隙度不随炉料的 运动而变化；⑤焦炭（或块煤形成的半焦）的下降速度 固定，其在填充床区域内的下降速度是其在死料柱区 域内下降速度的24倍[24]. 1.3数值模型验证 应用此数学模型对熔融气化炉风口回旋区的冶 炼特征进行数值解析之前，选用风口理论燃烧温度对 数学模型进行验证，其计算表达式如式（5）所示.数学 模型计算值与风口理论燃烧温度的比较如表3所示. Tf（Q燃烧Q物-QASH）/（V煤气c煤气）（5） 式 （5） 中Tf为风口理论燃烧温度，K；Q 燃烧、Q物及 表1化学反应及反应速率方程 Table 1Chemical reaction and reaction rate expressions 编号化学反应反应速率方程 1CO2→CO2 Rnρgωi Mi A 1/kf1/（ηkc） 2CCO2→2CO 3CO1/2O2→CO2R31.31011PCOPO 2 1/2 exp（-15 100 /Tg） 表2熔融气化炉风口的典型生产操作参数 Table 2Operating parameters of melter gasifier raceway 填充床 死料柱 风口回旋区 1 000.0 mm 参数数值 熔炼率150 t/h 燃料比1 062 kg/t 炉顶压力360 kPa 风口氧气流量55 665 m3/h 风口氧气温度300 K 有色金属科学与工程2017 年 4 月 10 万方数据 QASH分别为燃烧放热量、 焦炭 （或块煤形成的半 焦）及气体带入的物理热以及灰分带走热量，kJ/min； V煤气为风口前燃烧形成的煤气量，m3/min；C煤气燃烧 形成煤气的平均比热容，kJ/m3K. 由表3可知，熔融气化炉风口回旋区的理论燃烧 温度为3 996 K， 而风口回旋区内气体最高温度的数 学模型计算值为3 543 K，二者相对误差约为10.7 . 需要说明的是，理论燃烧温度的定义为燃烧产物全 部获得燃烧生成热以及鼓风和燃料带入的物理热所 能达到的最高温度，其并非实际测量值，而是基于热 平衡的计算值.该计算方法无法兼顾气体受热膨胀以 及反应动力学条件等因素， 且实际生产中亦无法达 到绝热条件， 故其并不能准确代表风口回旋区内实 际温度状态.此外，由于风口回旋区内工况条件极为 恶劣（高温、高压等），使得无法直接测量其内部气体 温度、浓度分布情况.因此，尽管计算理论燃烧温度并 不精确，但由于监测手段的匮乏，仍可用其验证本数 学模型. 总体而言，尽管本数学模型计算的风口回旋区内 气体最高温度与理论燃烧温度存在一定误差，但基本 相符.因此，可应用此数学模型开展进一步研究工作. 2计算结果及分析 2.1气体速度分布特征 风口回旋区附近还原煤气速度矢量特征如图3 所示.气体在风口前端可形成沿径向及轴向方向逐渐 扩展的高速射流， 气体流速最高可达150 m/s以上， 同时，在风口前端高温的共同作用下，极易造成风口 前端扩孔等热破损现象.而后，由于流动空间的扩大 及流动阻力的制约，气体流速迅速减小，至风口回旋 区边界，气体流速降低至约7 m/s水平.此外，鉴于填 充床空隙度略大于死料柱空隙度，大部分气体自风口 回旋区直接进入填充床，使得填充床内气体流速高于 死料柱气体流速.特别需要说明的是，风口前端出现 了小规模的气体循环流动现象， 如图3中圆圈所示， 这进一步加剧了风口前端的热破损，进而导致非计划 休风率提高，冶炼效率降低. 2.2气体温度分布特征 风口回旋区附近还原煤气温度分布特征如图4 所示.气体以常温进入风口回旋区后，由于焦炭（或块 煤形成的半焦）的燃烧，气体温度迅速升高至3 500 K 以上.与高炉风口回旋区仅为2 600 K的气体温度[7] 相比，熔融气化炉风口回旋区温度较高.因此，如前所 述，熔融气化炉风口的热破损概率极大.随着煤气流 的上升， 在壁面热传递以及气固热交换的共同作用 下，填充床和死料柱区域的气体温度逐渐降低. 图3风口回旋区附近还原煤气速度矢量示意 Fig. 3Reducing gas velocity vector around raceway 表3风口回旋区气体最高温度的数学模型计算值与 理论燃烧温度的比较/K Table 3Comparison between simulated gas maximum temperature and theoretical combustion temperature in raceway /K 参数理论燃烧温度数学模型计算值绝对误差相对误差/ 数值3 9663 54342310.7 40 m/s 图4风口回旋区附近还原煤气温度分布 Fig. 4Reducing gas temperature distribution around raceway 单位K 1 800 2 000 2 400 2 800 3 000 3 200 3 400 3 500 3 200 2 800 3 000 2 400 2 000 2 400 2 000 1 800 600 1 400 1 000 1 800 杜开平，等熔融气化炉风口回旋区冶炼特征的数值模拟研究第8卷 第2期 11 万方数据 图6风口水平还原煤气各组分变化 Fig. 6Reducing gas compositions at tuyere level 为了更深入考察风口回旋区内不同位置处还原 煤气温度分布特点， 提取风口水平处数据进行分析， 其结果如图5所示.整体而言，风口水平处的还原煤 气温度变化可分为3个阶段.在第1阶段，由于气体 以常温入炉，气固相化学反应速率较低，此时，气固相 温差较大，故该阶段以气固相热交换为主，气体升温 速率较为缓慢.在第2阶段，由于气固相化学反应速 率逐渐加快，使得碳燃烧反应放热量逐渐加大，气体 温度快速提高并达到最大值.在第3阶段，由于此时 氧气已消耗殆尽， 碳素熔损反应逐渐占据主导地位， 气体热量被大幅吸收，另一方面，该阶段气固相温差 亦较大，气固相热传递速率较快，在上述两方面的综 合作用下，气体温度呈降低趋势，并逐渐达到稳定. 2.3气体组分分布特征 风口水平处还原煤气各组分 （O2、CO及CO2）体 积浓度分布特征如图6所示.整体而言，与还原煤气 温度变化类似，风口水平处的还原煤气各组分变化可 分为3个阶段.在第1阶段，由于气相温度较低，化学 反应动力学条件较差， 故该阶段几乎无化学反应发 生，CO、CO2浓度几乎为0.在第2阶段，由于气相温 度逐渐升高，化学反应动力学条件得以改善，且碳燃 烧反应占据主导地位， 故该阶段O2浓度快速降低， CO2浓度快速增加至最大值，约为25 ；另一方面， 在碳素熔损反应的作用下，CO浓度缓慢增加， 但略 小于CO2浓度.在第3阶段，随着O2浓度的降低，碳 素熔损反应逐渐占据主导地位，CO2浓度逐渐降低， CO浓度快速增加，直至风口回旋区外部，CO2完全转 化为CO.因此，在实际生产中，相比于以空隙度为边 界的物理风口回旋区， 以CO2浓度为边界的化学风 口回旋区的体积较大. 综合上述分析可知，熔融气化炉风口回旋区在冶 炼过程中主要存在由于理论燃烧温度过高而导致风 口热破损严重的问题.为了改善上述问题，提高风口 回旋区冶炼效率，可从下部送风制度出发，对风口回 旋区冶炼技术进行优化.在维持风口氧气流量一定的 情况下，额外喷吹适量氮气以及富氢燃料性气体（天 然气、焦炉煤气）可降低理论燃烧温度.特别是喷吹天 然气、 焦炉煤气等富氢燃料性气体可充分发挥其中 H2的高温还原优势，提升熔融气化炉冶炼效率.因此， 相对于氮气而言，富氢燃料性气体具有更强的喷吹价 值.但是，风口喷吹大量富氢燃料性气体可能导致熔 融气化炉内冶炼热量不足以及料柱压差增大，料柱透 气性恶化等问题.因此，兼顾经济效益和冶炼操作，适 宜的富氢燃料性气体喷出量仍需进一步探讨. 3结论 1）熔融气化炉风口采用常温纯氧喷吹以替代高 炉的富氧热风，气体在风口前端可形成沿径向及轴向 方向逐渐扩展的高速射流，至风口回旋区边界，气体 流速迅速降低至约7 m/s；特别需要说明的是，风口前 端出现了小规模的气体循环流动现象，这进一步加剧 了风口前端的热破损. 2）气体以常温进入风口回旋区后，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，气体温度迅速升高至3 500 K以上，而固体温度 约为2 600 K左右；随着煤气流的上升，在壁面热传 递和化学反应吸热的作用下，气、固相温度均呈降低 趋势，且两者温差逐渐缩小. 3）纯氧自风口入炉后，经过与炉料短暂的热交 换，便与焦炭（或块煤形成的半焦）发生剧烈燃烧反 图5风口水平还原煤气温度变化 Fig. 5Reducing gas temperature at tuyere level 3 600 3 200 2 800 2 400 2 000 1 600 1 200 800 400 0 温度/K 0.0 0.10.20.30.4 0.50.60.7 0.80.91.0 距风口距离/m 第1阶段第2阶段第3阶段 气固相热交换碳燃烧反应碳素熔损反应 气固相热交换 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 体积浓度/ 0.0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 距风口距离/m 第1阶段第2阶段第3阶段 无化学反应碳燃烧反应碳素熔损反应 O2 CO2 CO 有色金属科学与工程2017 年 4 月 12 万方数据 应，使得CO2浓度快速增加；随着碳素熔损反应速率 的逐渐提高，CO浓度缓慢增加， 直至风口回旋区外 部，CO2完全转化为CO，即化学风口回旋区体积略大 于物理风口回旋区体积. 参考文献 [1] KUWABARA M, HSIEH Y S, MUGHI I. 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