噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)的模擬研究

林亮成

摘 要：該文對(duì)噴吹罐內(nèi)的煤粉流動(dòng)進(jìn)行了模擬，探究了罐內(nèi)的流場分布和煤粉顆粒的速度矢量，模擬結(jié)果與工程實(shí)際相吻合，對(duì)噴吹罐的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：噴吹罐 煤粉流動(dòng) 模擬

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0076-02

Simulation study of the pulverized coal flow in injection tank

LIN Liangcheng

（CISDI Engineering Co， Ltd. 401122）

Abstract：In this paper，the pulverized coal flow in injection tank is simulated. Distribution of the flow field in the tank and velocity vector of coal are explored. Simulation results are consistent with engineering practices. This work has guiding significance to design and research of the injection tank.

Keywords：injection tank pulverized coal flow simulation

高爐煤粉噴吹技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)步，促進(jìn)了我國鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展，特別是近幾年來，煤粉噴吹技術(shù)已經(jīng)從當(dāng)年的以煤代焦和提供熱量，發(fā)展成為調(diào)劑爐況熱制度、改善爐缸工作狀態(tài)、降低燃料消耗以及節(jié)能減排等方面的重要措施[1]。為滿足高爐大型化的需求，噴煤工藝各環(huán)節(jié)應(yīng)做出相應(yīng)改進(jìn)，對(duì)煤粉流態(tài)化措施等關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)引起重視[2]。

噴煤工藝主要分為制粉和噴吹兩部分，噴吹罐是煤粉噴吹系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。噴吹罐內(nèi)的煤粉流動(dòng)是一種典型的氣固兩相流動(dòng)，雖然工程設(shè)計(jì)人員已經(jīng)積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)煤粉流動(dòng)的機(jī)理研究卻很少，人們對(duì)這一過程的認(rèn)識(shí)仍然基于經(jīng)驗(yàn)積累。本文通過對(duì)噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探索了煤粉的流動(dòng)特性，對(duì)噴吹罐的設(shè)計(jì)和研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

本文基于雙流體模型[3]，建立噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)雙流體模型的基本假設(shè)，建立質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程：

氣相

（1）

顆粒相

（2）

動(dòng)量守恒方程：

氣相

（3）

顆粒相

（4）

氣固相的粘性應(yīng)力張量根據(jù)牛頓粘性定律有：

（5）

（6）

氣固相間曳力函數(shù)采用Gidaspow模型：

， （7）

， （8）

（9）

（10）

2 模型應(yīng)用

以某煉鐵廠2560 m3高爐煤粉噴吹系統(tǒng)噴吹罐為模擬對(duì)象，噴吹罐結(jié)構(gòu)如（圖1）所示。

應(yīng)用Fluent 6.3.26計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行求解。根據(jù)現(xiàn)場工藝條件，模擬參數(shù)見表1所示。

3 模擬結(jié)果與討論

圖2為噴吹罐內(nèi)煤粉從1 s至5 s的流動(dòng)形態(tài)，流化氣體從底部進(jìn)入時(shí)，煤粉開始流化，罐內(nèi)煤粉的擾動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大。噴吹罐在運(yùn)行過程中是在全罐流化以后才開始從彎管輸送煤粉，還是底部流化以后就開始輸送煤粉，以前一直沒有明確的認(rèn)識(shí)，從本文的模擬結(jié)果來看，直到第5 s時(shí)，尚未實(shí)現(xiàn)全罐流化，而從彎管出口處檢測到的煤粉質(zhì)量流量顯示，第1s時(shí)為160.66 kg/s，然后快速減小，到第4s時(shí)減為113.35 kg/s，第5s時(shí)又增加為119.78 kg/s?？梢?，噴吹罐在底部流化以后即開始輸送煤粉，輸送過程中罐內(nèi)煤粉繼續(xù)流化。從計(jì)算結(jié)果來看，質(zhì)量流量的初始數(shù)值很大，并快速減小，然后再次增大，反映了煤粉輸送的脈動(dòng)現(xiàn)象，與工程實(shí)際情況相吻合。

該文對(duì)彎管內(nèi)煤粉流動(dòng)的速度矢量進(jìn)行了研究，如圖3所示，圖中箭頭方向表示煤粉運(yùn)動(dòng)速度的方向，箭頭長度表示煤粉運(yùn)動(dòng)速度的大小。模擬結(jié)果顯示，煤粉在彎管垂直段均勻上升，在拐彎處煤粉緊貼彎頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)，且進(jìn)入水平段后，在較短的距離內(nèi)仍然緊貼彎管上部流動(dòng)，這一現(xiàn)象解釋了噴吹罐彎管在彎頭外側(cè)容易磨損的原因，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。為減緩煤粉對(duì)彎頭外側(cè)的磨損，建議在設(shè)計(jì)中將彎管豎直段適當(dāng)延長，減小煤粉到達(dá)彎頭處的速度。

4 結(jié)語

本文建立了噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)某煉鐵廠噴吹罐的模擬，得到以下主要結(jié)論：

（1）噴吹罐內(nèi)煤粉在全罐流化以前就開始通過彎管輸送煤粉，且輸送的質(zhì)量流量具有脈動(dòng)特征；

（2）煤粉在通過彎管彎頭時(shí)，緊貼彎頭外側(cè)，對(duì)彎頭的沖擊力較大，解釋了實(shí)際生產(chǎn)中彎頭外側(cè)容易磨損的原因。

參考文獻(xiàn)

[1] 項(xiàng)鐘庸，王筱留.高爐設(shè)計(jì)—— 煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2] Wu K，Ding R C，Han Q，et al. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at Capital Steel Co[J].ISIJ Int，2010，50（3）：390.

[3] Gidaspow D.Multiphase flow and fluidization[M].San Diego： Academic Press，1994.endprint

摘 要：該文對(duì)噴吹罐內(nèi)的煤粉流動(dòng)進(jìn)行了模擬，探究了罐內(nèi)的流場分布和煤粉顆粒的速度矢量，模擬結(jié)果與工程實(shí)際相吻合，對(duì)噴吹罐的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：噴吹罐 煤粉流動(dòng) 模擬

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0076-02

Simulation study of the pulverized coal flow in injection tank

LIN Liangcheng

（CISDI Engineering Co， Ltd. 401122）

Abstract：In this paper，the pulverized coal flow in injection tank is simulated. Distribution of the flow field in the tank and velocity vector of coal are explored. Simulation results are consistent with engineering practices. This work has guiding significance to design and research of the injection tank.

Keywords：injection tank pulverized coal flow simulation

高爐煤粉噴吹技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)步，促進(jìn)了我國鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展，特別是近幾年來，煤粉噴吹技術(shù)已經(jīng)從當(dāng)年的以煤代焦和提供熱量，發(fā)展成為調(diào)劑爐況熱制度、改善爐缸工作狀態(tài)、降低燃料消耗以及節(jié)能減排等方面的重要措施[1]。為滿足高爐大型化的需求，噴煤工藝各環(huán)節(jié)應(yīng)做出相應(yīng)改進(jìn)，對(duì)煤粉流態(tài)化措施等關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)引起重視[2]。

噴煤工藝主要分為制粉和噴吹兩部分，噴吹罐是煤粉噴吹系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。噴吹罐內(nèi)的煤粉流動(dòng)是一種典型的氣固兩相流動(dòng)，雖然工程設(shè)計(jì)人員已經(jīng)積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)煤粉流動(dòng)的機(jī)理研究卻很少，人們對(duì)這一過程的認(rèn)識(shí)仍然基于經(jīng)驗(yàn)積累。本文通過對(duì)噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探索了煤粉的流動(dòng)特性，對(duì)噴吹罐的設(shè)計(jì)和研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

本文基于雙流體模型[3]，建立噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)雙流體模型的基本假設(shè)，建立質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程：

氣相

（1）

顆粒相

（2）

動(dòng)量守恒方程：

氣相

（3）

顆粒相

（4）

氣固相的粘性應(yīng)力張量根據(jù)牛頓粘性定律有：

（5）

（6）

氣固相間曳力函數(shù)采用Gidaspow模型：

， （7）

， （8）

（9）

（10）

2 模型應(yīng)用

以某煉鐵廠2560 m3高爐煤粉噴吹系統(tǒng)噴吹罐為模擬對(duì)象，噴吹罐結(jié)構(gòu)如（圖1）所示。

應(yīng)用Fluent 6.3.26計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行求解。根據(jù)現(xiàn)場工藝條件，模擬參數(shù)見表1所示。

3 模擬結(jié)果與討論

圖2為噴吹罐內(nèi)煤粉從1 s至5 s的流動(dòng)形態(tài)，流化氣體從底部進(jìn)入時(shí)，煤粉開始流化，罐內(nèi)煤粉的擾動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大。噴吹罐在運(yùn)行過程中是在全罐流化以后才開始從彎管輸送煤粉，還是底部流化以后就開始輸送煤粉，以前一直沒有明確的認(rèn)識(shí)，從本文的模擬結(jié)果來看，直到第5 s時(shí)，尚未實(shí)現(xiàn)全罐流化，而從彎管出口處檢測到的煤粉質(zhì)量流量顯示，第1s時(shí)為160.66 kg/s，然后快速減小，到第4s時(shí)減為113.35 kg/s，第5s時(shí)又增加為119.78 kg/s?？梢姡瑖姶倒拊诘撞苛骰院蠹撮_始輸送煤粉，輸送過程中罐內(nèi)煤粉繼續(xù)流化。從計(jì)算結(jié)果來看，質(zhì)量流量的初始數(shù)值很大，并快速減小，然后再次增大，反映了煤粉輸送的脈動(dòng)現(xiàn)象，與工程實(shí)際情況相吻合。

該文對(duì)彎管內(nèi)煤粉流動(dòng)的速度矢量進(jìn)行了研究，如圖3所示，圖中箭頭方向表示煤粉運(yùn)動(dòng)速度的方向，箭頭長度表示煤粉運(yùn)動(dòng)速度的大小。模擬結(jié)果顯示，煤粉在彎管垂直段均勻上升，在拐彎處煤粉緊貼彎頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)，且進(jìn)入水平段后，在較短的距離內(nèi)仍然緊貼彎管上部流動(dòng)，這一現(xiàn)象解釋了噴吹罐彎管在彎頭外側(cè)容易磨損的原因，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。為減緩煤粉對(duì)彎頭外側(cè)的磨損，建議在設(shè)計(jì)中將彎管豎直段適當(dāng)延長，減小煤粉到達(dá)彎頭處的速度。

4 結(jié)語

本文建立了噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)某煉鐵廠噴吹罐的模擬，得到以下主要結(jié)論：

（1）噴吹罐內(nèi)煤粉在全罐流化以前就開始通過彎管輸送煤粉，且輸送的質(zhì)量流量具有脈動(dòng)特征；

（2）煤粉在通過彎管彎頭時(shí)，緊貼彎頭外側(cè)，對(duì)彎頭的沖擊力較大，解釋了實(shí)際生產(chǎn)中彎頭外側(cè)容易磨損的原因。

參考文獻(xiàn)

[1] 項(xiàng)鐘庸，王筱留.高爐設(shè)計(jì)—— 煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2] Wu K，Ding R C，Han Q，et al. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at Capital Steel Co[J].ISIJ Int，2010，50（3）：390.

[3] Gidaspow D.Multiphase flow and fluidization[M].San Diego： Academic Press，1994.endprint

摘 要：該文對(duì)噴吹罐內(nèi)的煤粉流動(dòng)進(jìn)行了模擬，探究了罐內(nèi)的流場分布和煤粉顆粒的速度矢量，模擬結(jié)果與工程實(shí)際相吻合，對(duì)噴吹罐的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：噴吹罐 煤粉流動(dòng) 模擬

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0076-02

Simulation study of the pulverized coal flow in injection tank

LIN Liangcheng

（CISDI Engineering Co， Ltd. 401122）

Abstract：In this paper，the pulverized coal flow in injection tank is simulated. Distribution of the flow field in the tank and velocity vector of coal are explored. Simulation results are consistent with engineering practices. This work has guiding significance to design and research of the injection tank.

Keywords：injection tank pulverized coal flow simulation

高爐煤粉噴吹技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)步，促進(jìn)了我國鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展，特別是近幾年來，煤粉噴吹技術(shù)已經(jīng)從當(dāng)年的以煤代焦和提供熱量，發(fā)展成為調(diào)劑爐況熱制度、改善爐缸工作狀態(tài)、降低燃料消耗以及節(jié)能減排等方面的重要措施[1]。為滿足高爐大型化的需求，噴煤工藝各環(huán)節(jié)應(yīng)做出相應(yīng)改進(jìn)，對(duì)煤粉流態(tài)化措施等關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)引起重視[2]。

噴煤工藝主要分為制粉和噴吹兩部分，噴吹罐是煤粉噴吹系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。噴吹罐內(nèi)的煤粉流動(dòng)是一種典型的氣固兩相流動(dòng)，雖然工程設(shè)計(jì)人員已經(jīng)積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)煤粉流動(dòng)的機(jī)理研究卻很少，人們對(duì)這一過程的認(rèn)識(shí)仍然基于經(jīng)驗(yàn)積累。本文通過對(duì)噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探索了煤粉的流動(dòng)特性，對(duì)噴吹罐的設(shè)計(jì)和研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

本文基于雙流體模型[3]，建立噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)雙流體模型的基本假設(shè)，建立質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程：

氣相

（1）

顆粒相

（2）

動(dòng)量守恒方程：

氣相

（3）

顆粒相

（4）

氣固相的粘性應(yīng)力張量根據(jù)牛頓粘性定律有：

（5）

（6）

氣固相間曳力函數(shù)采用Gidaspow模型：

， （7）

， （8）

（9）

（10）

2 模型應(yīng)用

以某煉鐵廠2560 m3高爐煤粉噴吹系統(tǒng)噴吹罐為模擬對(duì)象，噴吹罐結(jié)構(gòu)如（圖1）所示。

應(yīng)用Fluent 6.3.26計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行求解。根據(jù)現(xiàn)場工藝條件，模擬參數(shù)見表1所示。

3 模擬結(jié)果與討論

圖2為噴吹罐內(nèi)煤粉從1 s至5 s的流動(dòng)形態(tài)，流化氣體從底部進(jìn)入時(shí)，煤粉開始流化，罐內(nèi)煤粉的擾動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大。噴吹罐在運(yùn)行過程中是在全罐流化以后才開始從彎管輸送煤粉，還是底部流化以后就開始輸送煤粉，以前一直沒有明確的認(rèn)識(shí)，從本文的模擬結(jié)果來看，直到第5 s時(shí)，尚未實(shí)現(xiàn)全罐流化，而從彎管出口處檢測到的煤粉質(zhì)量流量顯示，第1s時(shí)為160.66 kg/s，然后快速減小，到第4s時(shí)減為113.35 kg/s，第5s時(shí)又增加為119.78 kg/s?？梢姡瑖姶倒拊诘撞苛骰院蠹撮_始輸送煤粉，輸送過程中罐內(nèi)煤粉繼續(xù)流化。從計(jì)算結(jié)果來看，質(zhì)量流量的初始數(shù)值很大，并快速減小，然后再次增大，反映了煤粉輸送的脈動(dòng)現(xiàn)象，與工程實(shí)際情況相吻合。

該文對(duì)彎管內(nèi)煤粉流動(dòng)的速度矢量進(jìn)行了研究，如圖3所示，圖中箭頭方向表示煤粉運(yùn)動(dòng)速度的方向，箭頭長度表示煤粉運(yùn)動(dòng)速度的大小。模擬結(jié)果顯示，煤粉在彎管垂直段均勻上升，在拐彎處煤粉緊貼彎頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)，且進(jìn)入水平段后，在較短的距離內(nèi)仍然緊貼彎管上部流動(dòng)，這一現(xiàn)象解釋了噴吹罐彎管在彎頭外側(cè)容易磨損的原因，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。為減緩煤粉對(duì)彎頭外側(cè)的磨損，建議在設(shè)計(jì)中將彎管豎直段適當(dāng)延長，減小煤粉到達(dá)彎頭處的速度。

4 結(jié)語

本文建立了噴吹罐內(nèi)煤粉流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)某煉鐵廠噴吹罐的模擬，得到以下主要結(jié)論：

（1）噴吹罐內(nèi)煤粉在全罐流化以前就開始通過彎管輸送煤粉，且輸送的質(zhì)量流量具有脈動(dòng)特征；

（2）煤粉在通過彎管彎頭時(shí)，緊貼彎頭外側(cè)，對(duì)彎頭的沖擊力較大，解釋了實(shí)際生產(chǎn)中彎頭外側(cè)容易磨損的原因。

參考文獻(xiàn)

[1] 項(xiàng)鐘庸，王筱留.高爐設(shè)計(jì)—— 煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2] Wu K，Ding R C，Han Q，et al. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at Capital Steel Co[J].ISIJ Int，2010，50（3）：390.

[3] Gidaspow D.Multiphase flow and fluidization[M].San Diego： Academic Press，1994.endprint