電弧爐內(nèi)碳燃燒和電極輻射的CFD模擬

郭 東，馬 驍

(商洛學(xué)院, 陜西 商洛 726000)

燃料能源對于現(xiàn)代重工業(yè)來說是一種昂貴而寶貴的資源。接近最大效率利用能源是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展追求的目標(biāo)之一。電弧爐是一種利用電極電弧產(chǎn)生的高溫熔煉礦石和金屬的電爐[1-2]。氣體放電形成電弧時(shí)能量很集中，弧區(qū)溫度在3 000 ℃以上。對于熔煉金屬，電弧爐比其他煉鋼爐工藝靈活性大，能有效地除去硫、磷等雜質(zhì)，爐溫容易控制，設(shè)備占地面積小，適于優(yōu)質(zhì)合金鋼的熔煉[3]。一般來說，電弧爐在煉鋼過程中消耗大量能源，而煉鋼過程使用煤炭和電力是其主要能源[4]。提高這類大型設(shè)備對燃料能源的利用率，往往需要使用試錯(cuò)法進(jìn)行昂貴的實(shí)驗(yàn)研究。近年來發(fā)展起來的計(jì)算資源可以解決固體顆粒燃燒、蒸發(fā)、湍流和輻射等多物理場耦合影響的問題。其中計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是一種先進(jìn)的模擬工具，能夠?qū)﹄娀t等工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行綜合建模[5]。本研究使用商用CFD軟件ANSYS FLUENT 18.0開發(fā)了一種針對于電弧爐的模擬方法。為了建立通用的電弧爐CFD模擬模型，就需要準(zhǔn)確得到噴射煤顆粒的燃燒因素、電弧輻射和爐渣表面溫度分布，以分析和驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。此外，CFD模型還應(yīng)提供電弧爐壁射流速度、燃燒組分分布和熱量輸出的詳細(xì)信息。Li和Fruehan[6]研究了電弧爐中二次燃燒反應(yīng)的綜合CFD模型。作者模擬了液態(tài)金屬或電極中CO2和碳之間的輻射傳熱、二次燃燒反應(yīng)和脫二次燃燒反應(yīng)。Guo和Irons[7-8]利用CFD模擬電弧爐輻射，得到了輻射傳熱的能量分布。同時(shí)研究者研究了爐側(cè)耐火材料、水冷側(cè)板和爐頂?shù)妮椛淠芰糠植肌?/p>

本研究旨在建立一個(gè)全面的煤燃燒和輻射傳熱過程的三維CFD模型。在該模型中，噴射器的位置或數(shù)量、電弧爐的噴射角室尺寸、氧氣或煤炭含量以及電極的輻射率等可以改變，以達(dá)到熔體表面的目標(biāo)溫度。從這個(gè)意義上講，該模型提供了設(shè)計(jì)參數(shù)的靈活性。這種靈活的CFD模型可以優(yōu)化燃燒和電極輻射，從而降低電弧爐的能耗。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

表1中給出的電弧爐參數(shù)用于創(chuàng)建CFD模擬的三維模型。圖1(a)為建立的三維模型，噴射口共有三個(gè)包括1、2和3。所有噴射器均位于渣面上方1.07 m處，并向下對準(zhǔn)45°。煤顆粒和氧氣通過噴射器送入爐膛，如圖1(b)為劃分的網(wǎng)格模型。該模型的主要目的之一是獲得熔體層的上表面溫度分布。為了簡化模型，計(jì)算區(qū)域的底面設(shè)定為熔渣表面，而不是模擬整個(gè)熔體體積。計(jì)算域邊界還包括爐壁的內(nèi)表面、煙囪的上壁和側(cè)壁。燃燒產(chǎn)物和其他未燃燒氣體從電弧爐的排氣表面離開計(jì)算區(qū)域。三個(gè)電極的底面在恒定熱流下產(chǎn)生電弧和輻射能量。

表1 電爐參數(shù)

圖1 爐體三維模型及網(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件

爐體壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。爐體下部和上部槽壁溫度分別設(shè)置為873 K和773 K?？紤]到冷卻過程，爐壁的靜態(tài)溫度為393 K。在電極底面施加1.15 e+8 W/m2的熱流，以模擬100 MW的電能。為了獲得更真實(shí)的熱邊界條件，考慮了到外部環(huán)境的對流和熔體層上的傳導(dǎo)。對流換熱系數(shù)設(shè)置為30 W/(m2·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)。

2 結(jié)果與討論

2.1 電弧爐內(nèi)流暢分析

圖2(a)顯示了與噴射口1中心相交的平面上的速度分布。圖2(b)中繪制的速度數(shù)據(jù)是從熔渣表面到噴射器口的直線(圖2(a)中用虛線顯示)獲得的。從圖2中可以看出氧氣流速和外部氣體流速的最大值范圍為0～349 m/s。當(dāng)射流膨脹并與煤顆粒和氣體混合時(shí)，射流速度降低。渦流和高溫燃燒效應(yīng)使速度梯度變化更大。射流到達(dá)熔體表面的速度約為75 m/s。

圖2 與噴射口1相交的平面的速度分布圖

2.2 電弧爐內(nèi)的溫度場

電弧爐內(nèi)的溫度分布是從噴射器中心相交的平面顯示的。噴油器1、2和3的燃燒溫度分布如圖3所示。噴油器1和3后的噴射流溫度分布在2 270～3 200 K。位于兩個(gè)噴油器之間的噴油器2，射流下的最高燃燒溫度為3 000 K。由于冷卻爐壁的傳熱效應(yīng)，在近爐壁處獲得的最低溫度值為692 K。噴射器出口處的最大燃燒溫度在熔渣表面持續(xù)降低至2 200 K左右。在電極底面上確定的輻射溫度分布如圖4所示。爐膛內(nèi)的輻射溫度范圍約為150 K。

圖3 與噴射口相交平面的溫度剖面

圖4 爐渣表面的靜態(tài)溫度和PDF分布曲線

概率密度函數(shù)(PDF)和爐渣表面的溫度分布如圖5所示。根據(jù)PDF圖，爐渣表面的靜態(tài)溫度變化在1 860～1 970 K，爐渣表面的溫度大部分累積在1 880 K左右，足以將熔體溫度保持在1 800 K左右。

圖5 噴射口1噴嘴中心的煤氣、煤顆粒、一氧化碳、二氧化碳和氧氣濃度分布

2.3 電弧爐內(nèi)氣相物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖5中給出了電弧爐中沿著從爐渣表面(0 m)到噴射器1出口中心線的氣體和固體顆粒濃度。從圖5中可以看出一些固體煤顆粒一離開噴射器就迅速蒸發(fā)，而其余顆粒則開始表面反應(yīng)。由于噴油器的設(shè)計(jì)，表面反應(yīng)發(fā)生在距噴油器出口0.5 m處?？焖僬舭l(fā)的煤顆粒在高溫下和氧氣發(fā)生反應(yīng)。燃燒反應(yīng)的結(jié)果是，二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.35，同時(shí)消耗了大部分氧氣。由于高溫燃燒，蒸發(fā)煤顆粒(氣相煤)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在距離噴射器約0.3 m處急劇降低。一氧化碳是電弧爐燃燒反應(yīng)中最重要的物質(zhì)之一。CO由兩種不同的來源組成，即煤顆粒的燃燒和爐渣表面的擴(kuò)散，一些CO是由煤和CO2的氣相和半焦反應(yīng)組成的。另一個(gè)來源是熔渣表面泡沫狀渣煤層的共同擴(kuò)散[9]。CO擴(kuò)散源于注入的煤和氧氣在金屬和熔渣界面之間的擴(kuò)散。圖6顯示了噴射口1周圍的CO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。燃燒反應(yīng)生成的CO低于圖6(a)所示的熔渣表面擴(kuò)散。此外，在高溫區(qū)域之后，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始下降，表明焦炭氧化在爐渣表面上方累積的煤顆粒中積聚。

圖6 與噴射口1相交的平面上燃燒場中的CO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 結(jié) 論

本文對商用的電弧爐進(jìn)行模擬研究。詳細(xì)分析了噴流燃燒過程中的堆芯溫度和爐渣表面的溫度分布。通過數(shù)值和圖形給出了燃燒反應(yīng)和爐渣表面擴(kuò)散產(chǎn)生的CO和CO2的變化。通過模擬可以看出熔渣表面的總溫度和平均溫度分布約為1 770 K。為了獲得更好的質(zhì)量，將廢金屬保持在液相是很重要的。同時(shí)研究也表明，與傳送到電弧爐壁和爐頂?shù)臒崃肯啾葌魉偷浇饘僭砻娴臒崃糠浅Ｉ?。電弧爐壁和爐頂?shù)妮椛錈釗p失相當(dāng)大。因此在設(shè)計(jì)電弧爐時(shí)應(yīng)降低爐頂?shù)臒彷椛?，增加爐內(nèi)煙氣熱量循環(huán)從而增加到達(dá)金屬表面的熱量。