D0I:10.13374片.issnl00103x.1998.0B.026 第20卷第3期 北京科技大学学报 Vol.20 No.3 1998年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1998 局部富氧喷煤直吹管内气一固两相 流动及传热数值模拟* 刘应书杨天钧苍大强刘述临 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要以气一固两相的动量、热量、物质守衡为基础，用多流体模型描述气体和颗粒两相的运动， 用气相湍流模型和颗粒湍流代数模型分别描述气相和颗粒相的湍流特性，建立了高炉局部富氧 喷煤直吹管内气一固两相流动及传热的数学模型.数值模拟了9种工况下的气相流场，温度场以 及煤粉颗粒相的速度场、浓度场和温度场，并研究了富氧率、风温，固气比，插枪角度等喷吹参数 对各种场量的影响.数值模拟结果与实测值符合良好， 关键词高炉；喷煤；富氧；数学模型；数值模拟 分类号TF3218 高炉局部富氧喷吹煤粉时，由氧煤枪喷出的煤粉、载气和氧气在直吹管内热风中混合，加 热，然后进入回旋区气化燃烧。直吹管中煤粉和气体的速度场、温度场、浓度场对煤粉的气化 燃烧有很重要的影响.由于实际测量的困难性，有必要对直吹管内气一固两相流动及其传热 进行数值模拟研究， 1数学模型 1.1控制方程 假设高炉局部富氧喷煤直吹管内气一固两相流动为稀疏悬浮体两相定常流动，且不计其 伴随的化学反应.采用拟流体模型，通过气一固双流体体系内的质量、动量和能量守恒定律分 别建立气相、固相的守恒方程，应用气相湍流K一ε模型和颗粒湍流代数模型描述气相和颗粒 相的湍流特性，得到如下的控制方程) 品eom+8op)-是u0-s (1) 其中：p一因变量，如速度分量w和v,焓H,气相湍流动能k,气相湍流动能耗散率ε等；「是扩 散系数；S为源项.各守衡方程展开形式列于表I, 表1中：4.表示气相的有效动力粘度，包括气相分子动力粘度u,和湍流动力粘度4t。,t。 分别为颗粒弛豫时间和平均弛豫时间；n为单位体积内第K组颗粒的个数；入是气体的导热系 数；2xQx分别为单位时间内第K组的单个颗粒与气流的对流换热及与壁面间辐射换热. 确定颗粒湍流运动粘度的颗粒湍流代数模型为： 1997-06-03收稿刘应书男，36岁，副教授，博士后 *国家“八五”攻关项目
DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 03. 026
Vol.20 No.3 刘应书等：局部富氧喷煤直吹管内气一固两相流动及传热数值模拟 ·225· 表1控制方程的展开形式 相方程p「 S. 连续「 一动量uug (骰+(） .(n-u) 气 -动量下 Me 新)+（知-w 相 湍能大0 (++(+] 湍能 耗散率 ello、 c(++(+尉)c] 能虽 11 A+udor S小2 连续「 0 + 新)++[(+ 固 -动量从p (器+)】-w 相 -动量K ）+{】 p、 {+别 2- 能量 工.(2.+9) /,=1+(红s/t (2) 式中.V是气体的运动粘度，，为气体湍流脉动时间尺度.考虑颗粒与气体的对流换热 0.=Ah(T-刀 (3 式中，A,为颗粒表面积，h是对流换热系数.颗粒与壁面的辐射换热： Qa=e04(T3/100)-(T/100)] (4) 其中.E为系统黑度，o,为Stefan-Boltzman常数.计算气一固两相间的相对运动阻力 (5) 方程(1)~(5)构成了所i讨论问题的数学方程组. 1.2边界条件 在图1所示的模型中，进口上气流为充分发展流，煤粉射流和氧气射流出口参数均匀：直 吹管出口为混合均匀的充分发展流：在壁面上气相无滑移，固相颗粒作弹性碰撞.考虑直吹管
·226· 北京科技大学学报 1998年第3期 内外壁面的传热，确定壁面温度.为了提高近壁区 域的计算精度，还选取了壁面函数求解控制方程. 2控制方程组的数值解法 采用36×40的不均匀交错网格，选取控制容 3 积积分方法和幂函数差分方案，并将源项线性化， 图1高炉氧煤喷吹气固两相流坐标系 得到变量即在节点处的差分方程；根据连续方程建 1直吹管，2氧煤枪；3煤粉；4氧气 立速度和压力修正方程，得到代数方程组.用Gauss--Seidel欠松驰迭代法（松弛因子为0.5） 求解.求解步骤为：(I)假设气相、固相初场如u”,,K,ε，T以及u,,Tg等，以此计算气 相、固相各离散方程中的系数及常数项；(2)假定一个压力场P*;(3)求解气相动量方程，得 *,*；(4)求解压力修正方程，得P'；(5)据P'改进速度值；(6)利用改进后的速度场求解气 相能量方程，得到新的温度场；(7)利用改进后的压力场和温度场，计算气相密度场；(8)根据 改进后的气相速度等参数求解固相动量方程，得到新的固相速度场；(9)最后，求解固相能量 方程，得到新的固相温度场；(10)根据新的场量计算各系数及常数项，重复(3)至(8)的步骤， 直到获得收敛的解.基于此，在SIMPLE程序的基础上，经过改进和扩展，编制了高炉局部富 氧喷煤直吹管内气一固两相流动及传热的P℃IO一2P程序.模型中的有关常数示于表2. 表2模型的常数 符号 C C Cr K e 取值1.451.921.01.330.90.350.090.80.40.50.45 3 数值模拟结果与分析 3.1计算结果与实测值的比较 图2是气相速度场和颗粒浓度场的计算结果与试验测量值的比较.由此可知，数值模拟 结果与实测值较为符合.气相速度场和颗粒浓度场的测量方法分别参见文献[4]和文献[5]. 50m/s 0.028kgm3 1.0m (a) 0.6 0.6 0.2 0.2 -0 -0.2 9。 -0. -1.(L 0.10 0.52 1.24 2.52 0.52 1.24 x/R 2.52 5.32 vR 图2速度和煤粉浓度场计算值和实测值的比较 一计算值：°实测值；(a)气相速度场；(b)煤粉浓度场 3.2实际高炉氧煤喷吹气一固两相流动及传热计算结果与分析 考虑影响直吹管内气一固两相流动及传热的直吹管和氧煤枪的几何结构及其几何参数、 热风流量及温度、富氧率、固气比，煤粉的流量及温度等主要影响因素，计算了由其参数变化
Vol.20 No.3 刘应书等：局部富氧喷煤直吹管内气一固两相流动及传热数值模拟 ·227· 组成的9个工况，得到相应的气相速度场和温度场，固相速度场、浓度场及温度场等结果， 图3给出了在工况1下气相的轴向速度分布.两相流流动时，气相轴向速度在氧煤枪出 口附近出现双峰值，然后逐渐在径向达到 1.0 均匀分布，在径向均匀分布的载面到氧煤 0.6 枪喷口截面的无量纲距离约为5.与单相流 0.2 速度分布比较可知，在直吹管壁面附近，两 -0.2 相流中气体速度大于单相气流速度，而在 -0.6 100m/s 直吹管轴线附近，前者小于后者.气相的横 -1.0 向速度几乎为零. 0.18 1.24 5.11 r/R 图4为气体温度等值线分布，等值线 图3气相速度分布 上实际温度等于所标注之值乘以10K.由 气一固两相流气相速度；··-单相流气体速度 此可知，在氧煤枪喷口附近很小的范围内，温度变化梯度很大，然后很快趋向均匀.说明热风 对氧和载气的加热速率很快.热风温度越高，温度分布均匀越快.进一步分析表明，富氧率增 大，气体温度达到均匀的时间越长，而载气及插枪角对气体温度场影响不大 图5为气一固两相流中煤粉的轴向速度场.煤粉在直吹管内的运动过程是一个加速过 程.轴向速度逐渐增加，直至与气相速度相等.此外，煤粉颗粒具有一定的横向速度，并且枪 位和插枪角是其重要影响因素，另外，提高固气比，可以增加煤粉的停留时间，而提高富氧率 则不利于增加煤粉停留时间. 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 0.81 0.8 1.0r 0.4 6 0.4 0.6 0.2 0.0 0.0 兰 -0.2 100m/s -0.4 36 -0.4 -0.61 -0.8 -0.8 -1.0L 0.0 1.0 2.03.0 4.0 5.0 0.18 1.24 5.11 x/R x/R 图4气相温度等值线分布（实际温度×10K) 图5煤粉轴向速度分布，一a=10°---a=20° 图6为煤粉浓度场.在氧煤枪喷口附近局部区域内，浓度分布梯度很大，变化激烈.在氧 煤枪插入一侧，煤粉几乎不能扩展，而在另一侧扩展较为充分，然后使煤粉沿其射流流动方向 形成不对称分布，且插枪角越大不对称分布越明显，直至煤粉高浓度区与管壁相连 图7为煤粉温度场.在直吹管中间区域煤粉温度较低，且离喷口越近，煤粉温度越低.沿 .0 1.0 0.5 0.5 0.0 0.0 0.65- 0.95 -0.5 0.5 -1.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 0.0 1.0 2.03.0 4.05.0 x/R x/R 图6煤粉浓度场（单位kgm) 图7煤粉温度场(×10K)
·228· 北京科技大学学报 1998年第3期 着径向，煤粉温度逐渐升高，计算结果还表明，在相同条件下，提高风温有利于煤粉升温，而提 高富氧率，煤粉温度则降低.因此，对于煤份燃烧来说，富氧具有促进燃烧和降低温度的双重 作用.工艺设计应考虑选取最佳或合适的富氧率， 5结论 以气一固两相的动量、热量、物质守衡为基础，用多流体模型描述气体和颗粒两相的运 动，用气相湍流模型和颗粒湍流代数模型分别描述气相和颗粒相的湍流特性，建立了高炉局 部富氧喷煤直吹管内气一固两相流动及传热的数学模型，并编制了相应的PCO-2P计算程 序，采用氧煤枪局部富氧，可以显著提高煤粉周围的氧势，促进煤粉的快速燃烧.但富氧率提 高，煤粉停留时间缩短，不利于煤粉升温，因此，工艺设计应考虑选取最佳或合适的富氧率， 参考文献 」周力行.湍流两相流动与燃烧的数值模拟.北京：清华大学出版社，1991 2刘大有.二相流体动力学.北京：高等教育出版社，1993 3陶文铨.数值传热学.西安：西安交通大学出版社，1986 4刘应书，杨天钧，周渝生，苍大强.五孔探针计算机测定系统及氧煤枪三维流场试验.北京科技大学学 报，1994,16(1)1 5刘应书，密冬生，杨天钧，苍大强，丁玉龙.高炉氧煤枪煤粉浓度场的研究.北京科技大学学报，1993， 15(5):437 6刘应书.高炉氧煤喷吹气一固两相流研究：[博士学位论文].北京：北京科技大学，1994 Numerical Modeling of Gas-solid Flow and Heat Transfer in Blowpipe of BF Oxy-coal Injection Liu Yingshu Yang Tianjun Cang Dagiang Liu Shulin Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A mathematical model of the gas-solid flow and heat transfer in blowpipe of BF oxy-coal injection has been developed by the multi-flow model and turbulence model.Then the velocity and temperature of both gas and pulverized coal as well as its concentration have been calculated in industrial scale blowpipe under different injection conditions.The theoretical predictions are in qualitative agreement with experiments. KEY WORDS blast furnace;coal injectoin;oxygen enrichment;mathematical model;numeri- cal modeling
