高炉氧煤枪煤粉浓度场的研究.pdf_大学文库

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1993.05.020 第15卷第5期北京科技大学学报 Vol.15 No.5 1993年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1993 高炉氧煤枪煤粉浓度场的研究刘应书*廖冬生杨天钧**苍大强**丁玉龙** 摘要：利用开发的红外透射法粉体浓度计算机测定系统在高炉氧煤喷吹气一固两相流动模拟装置上测定了氧煤怆的煤粉浓度物，结果表明，在直吹管内氧煤怆出口前端截面附近，煤粉浓度呈不对称分布状态。在射流流动方向所对应的半径“~侧，煤粉浓度较大，但通过调节枪位可以改善这种状况。直吹管内气一固两相的榛混甚为剧烈，使得在氧煤枪出口前端轴向距离为25倍、直吹管直径的截面上气一固两相混合均匀。关键词：高炉，粉煤喷吹、浓度分布/气固流中图分类号：TF538.63 Pulverized Coal Concentration Distribution of Oxygen-coal lance of Blast Furnace Liu Yingshu'Liao Dongsheng·Yang Tianjun'· Cang Dugqiang Ding Yulong' ABSTRACT:The concentration distribution of pulverized coal in blowpipe of blast fur- nace was measured in an isothermal two-phase model by means of a computer measuring system based on infrared transmission.The results show that concentration near the exit of oxygen-coal lance is distributed unsymetrically and that the concentration along the direc- tion of the gas-solid jet is much higher.The concentration distributions in the distance about 2.5 times diameter of blowpipe from the exit of the lance tend to be uniform due to the mixing of gas and solid phase rapidly in blowpipe. KEY WORDS:blast furnaces,coal powder injection,concentration distribution/gas-sol id folw 煤粉浓度场的研究是氧煤枪研制和应用研究的重要内容。在高炉氧煤喷吹过程中，煤粉与气流在直吹管内的运动极为复杂。抽气采样等测定粉尘浓度的方法，由于精度低、测 *1992-12-30收搞第作者：男.33岁、博士 +国家“八五“重点科技攻关项月85-501-04-01， ·热能工程系(Department of Thermal Engineering) **治金系(Department of Metallurgy)

第 1 5 卷第 5 期 19 3 年 1 0 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s it y o f S c i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 15 N o . 5 0 e t . 1 9 3 高炉氧煤枪煤粉浓度场的研究十刘应书 ’ 廖冬生 * ’ 杨天钧 * * 苍大强 ` ’ 丁玉龙 * * 摘要 : 利用开发的红外透射法粉体浓度计算机测定系统 , 在高炉氧煤喷吹气一固两相流动模拟装置卜测定了氧煤枪的煤粉浓度场。结果表明 , 在直吹管内氧煤枪出口前端截面附近 , 煤粉浓度呈不对称分布状态。在射流流动方向所对应的半径一侧 , 煤粉浓度较大 , 但通过调节枪位可以改善这种状况。直吹管内气一固两相的掺混甚为剧烈 , 使得在氧煤枪出口前端轴向距离为 2 5 倍 , 直吹管直径的截面卜气一固两相混合均匀。关键词: 高炉 , 粉煤喷吹 , 浓度分布 / 气固流中图分类号 : T F 5 3 8 · 6 3 P u l v e r i z e d C o a l C o n e e n t r a t i o n D i s t r i b u t i o n o f O x y g e n 一 e o a l l a n e e o f B l a s t F u r n a c e 乙i u Yi月9 5 八。 ` 乙ia o D o 馆 s 人e o g * ` aY n g ’lTa nj u 。 “ e a ,啥 D嘴 , ia 雌 * ` D哪 y “ ol 馆冲 ` A B S T R A C T : T h e e o n e e n t r a t i o n d i s t r ib u t i o n o f P u l v e r i z e d e o a l i n b l o w PIP e o f b l a s t fu r - n a e e w a s m e a s u r e d i n a n i s o t h e mr a l t w o 一 Ph a s e m o d e l b y m e a n s o f a c o m P u te r m e a s u r i n g s y s t e m b a s e d o n i n fr a er d t ar n sm i s s i o n . T h e r e s u l t s s h o w t h a t c o n e e n t r a t i o n n e a r t h e e x it o f o x y g e n 一 e o a l l a n e e 1 5 d i s tir b u t e d u n s y m e t r i e a ll y a n d t h a t t h e e o n e e n t r a t i o n a l o n g ht e d i r e e - t i o n o f t h e g a s一 s o li d j e t 1 5 m u e h h i g h e r · T h e e o n e e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n s i n t h e d i s t a n e e a b o u t 2 . 5 t im e s d i a m e t e r o f b l o w P IP e fr o m t h e e x it o f t h e l a n e e t e n d t o b e u n i of mr d u e t o t h e m i x i n g o f g a s a n d s o li d Ph a s e r a Pi d l y i n b l o w P IP e . K E Y W O R D S : b l a s t fu r n a e e s , e o a l P o w d e r inj e c t i o n , c o n e e n t r a t i o n d i s t ir b u t i o n / g a s 一 5 0 1 - id f o lw 煤粉浓度场的研究是氧煤枪研制和应用研究的重要内容。在高炉氧煤喷吹过程中 , 煤粉与气流在直吹管内的运动极为复杂。抽气采样等测定粉尘浓度的方法 , 由于精度低、测 * 19 92 一 1 2一3 0 收稿第一作者 : 男 . 3 岁、博士十国家 “ 八五 ” 重点科技攻关项月 85 一 50卜04 一 01 * 热能工程系 ( D e P a r t m e n t o f T h e r m a l E n g l n e e r i n g ) * * 冶金系 ( D e P a r tm e n t o f M e t a l l u r g y ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 05. 020

438· 北京科技大学学报 1993年No.5 量速度慢等原因而已无法适应复杂流动的需要，需研究快速、准确的测定方法。因此，作者开发了红外透射法煤粉浓度计算机测定系统，在高炉氧煤喷吹气一固两相流动等温模拟装置上，测定了一系列氧煤枪在直吹管内的煤粉浓度分布。 1 红外透射法计算机测定系统 1.1红外透射法测量原理红外透射式探头结构及其工作原理示于图1，光源与光电元件置于探头端部。当探头放置含尘气流中，光源发出的红外光通过待测的含尘气流发生衰减，光电元件接收的光强遵守比耳定律： I=le-kcl b 式中o、I分别为入射光强度和透射光强度；k是消光系数；1为光学厚度；c是粉体浓度。图1红外透射探头及其工作原理当所用物料和探头结构尺寸一定时， a探头结构b工作原理消光系数和光学厚度在一定范围内可视为 1红外光源2光电接收元件3探头常数，则： Fig.1 Probe and principle of infrared transmission c=-[n()-ln(Io】/(k·)=Aln()+B 式中A、B均为与测定系统和探头结构有关的常数。上式表明粉尘浓度C与光强的对数成线性关系。将光电元件检测到的信号经过对数运算后，即可求算粉尘浓度。 1.2系统结构红外透射法计算机测定系统由测量系统、计算机数据采集系统及相应的软件系统等组成。其组成框图示于图2。 (1)测量系统测量系统由探头、信号处理电调制光泳光电管选频放大同步检波路、数据显示设备等部分组成。 (2)数据采集系统打印机微机AD 对数放大数据采集系统由A/D转换板，IBM-PC机及打印机等组成。图2测定系统组成框图 (3)软件系统 Fig.2 Schematic diagram of measuring system 软件系统采用菜单式提示，可在全屏幕显示下输入测量条件、标定罗点、给定测量时间等。选择进入测量状态后，按键进行定时采样，并在屏幕上显示出所测浓度变化曲线，到达给定时间后停止采样，还可算出平均浓度值，并将浓度曲线、平均浓度等测量结果存盘或打印输出。 2 氧煤枪煤粉浓度场测定

北京科技大学学报 1 9 , 3 年 N o . 5 量速度慢等原因而已无法适应复杂流动的需要 , 需研究快速、准确的测定方法。因此 , 作者开发了红外透射法煤粉浓度计算机测定系统 , 在高炉氧煤喷吹气一固两相流动等温模拟装置上 , 测定了一系列氧煤枪在直吹管内的煤粉浓度分布。 1 红外透射法计算机测定系统 1 . 1 红外透射法测t 原理红外透射式探头结构及其工作原理示于图 l , 光源与光电元件置于探头端部。当探头放置含尘气流中 , 光源发出的红外光通过待测的含尘气流发生衰减 , 光电元件接收的光强遵守比耳定律 : I = oI c 一 kcI 式中 10 、 I 分别为人射光强度和透射光强度 ; k 是消光系数; l 为光学厚度 ; ` 是粉体浓度。当所用物料和探头结构尺寸一定时 , 消光系数和光学厚度在一定范围内可视为 1 常数 , 则 : F i.g 1 c = 一 [ I n ( )I 一 I n ( I 。 ) ] / (k · l ) = A I n ( )I + B 亡渊刻萄 “ 用 · 门二 , · … 月 : 州跨图 l 红外透射探头及其工作原理 a 探头结构 b 工作原理红外光谏 2 光电接收元件 3 探头 rP o 映 a 叱州伙娜卜 of i nfr ar d tr a . SI . 讼io n 式中 A 、 B 均为与测定系统和探头结构有关的常数 . 上式表明粉尘浓度 C 与光强的对数成线性关系。将光电元件检测到的信号经过对数运算后 , 即可求算粉尘浓度。 L Z 系统结构红外透射法计算机测定系统由测量系统、计算机数据采集系统及相应的软件系统等组成。其组成框图示于图 2 。 ( l) 测量系统测量系统由探头、信号处理电路、数据显示设备等部分组成。 (2 ) 数据采集系统数据采集系统由 A / D 转换板 , BI M 一 P C 机及打印机等组成。 ( 3) 软件系统图 2 测定系统组成框图 F ig . 2 cS h e m a d e d i a gr a m o f m e a s u ir n g s y s et m 软件系统采用菜单式提示 , 可在全屏幕显示下输入测量条件、标定零点、给定测量时间等。选择进人测量状态后 , 按键进行定时采样 , 并在屏幕上显示出所测浓度变化曲线 , ’ 到达给定时间后停止采样 , 还可算出平均浓度值 , 并将浓度曲线、平均浓度等测量结果存盘或打印输出。 2 氧煤枪煤粉浓度场测定

Vol.15 No.5 刘应书等：高炉氧煤枪煤粉浓度场的研究。 ·439· 2.1试验装置采用上述测定系统在如图3所示的高炉氧煤喷吹气一固两相流动等温模拟装置上测定了直吹管内的煤粉浓度分布。其中主气流来自2JWL型双级涡轮鼓风机，管内平均风速为16m/s,氧煤枪中的氧气由压缩空气代替。粒度约为200目的煤粉经充压螺旋给料器供至煤粉流化器，再经氧煤枪喷入直吹管。试验过程中，螺旋给料器的给料速率为 42.1kg/h。 2.2试验内容试验内容包括不同试验条件下GY-A、GY-B、GY-C型3种氧煤枪的15组试验。每组试验都在如图4所示的测孔内选取不同径向距离的若干测点测量。得到不同横截面上煤粉浓度分布。 20 19 18 13 3 8 ⑧ 图3高炉氧煤喷吹气一固两相流模拟装置 1贮气罐2压力表3、4、5、6流量计图4测点位置示意图 7、8、9螺旋给料器10流化器11风机 1~9·测量位置，10直吹管，11氧煤枪 12氧煤枪13直吹管14除尘器 A,B、C、D测量方向，O'枪位1,0枪位2， 17探头18信号处理电路19A/D板 e直吹管主气流方向，f煤粉流入口， 20计算机21打印机 g氧气（似空气代替）入口 Fig.3 Isothermal model for two-phase flow Fig.4 Schematical diagram of measuring position experiment 3试验结果及分析图5给出了GY-B1,型氧煤枪在直吹管内各截面上的煤粉浓度分布。图中横座标 r/R为无量纲径向距离(-径向距离，R-直吹管半径)：纵座标为无量纲的煤粒浓度：C/ C(C-煤粉浓度，C-平等浓度)从图上可看出，在氧煤枪出口附近很小的区域内煤粉浓度分布变化较大，而在离喷口一定距离以后，煤粉浓度值很快趋于均匀分布。在氧煤枪出口附近，沿着径向坐标方向，浓度先从最低值迅速上升到最大值，然后减小再逐渐增加至某一值。测孔1、2、3、4所在截面上都有类似的特征。由此可知，氧煤枪的气一固射流特性与气一固自由射流相比具有较大的差别

V ol . 巧 N o . 5 刘应书等 : 高炉氧煤枪煤粉浓度场的研究二 43 9 · .2 1 试验装置采用上述测定系统在如图 3 所示的高炉氧煤喷吹气一固两相流动等温模拟装置上测定了直吹管内的煤粉浓度分布。其中主气流来自 ZJ W L 型双级涡轮鼓风机 , 管内平均风速为 16 m / s , 氧煤枪中的氧气由压缩空气代替。粒度约为 20 0 目的煤粉经充压螺旋给料器供至煤粉流化器 , 再经氧煤枪喷入直吹管。试验过程中 , 螺旋给料器的给料速率为 4 2 . Ik g / h 。 .2 2 试验内容试验内容包括不同试验条件下 G Y 一 A 、 G Y 一 B 、 G Y 一C 型 3 种氧煤枪的巧组试验。每组试验都在如图 4 所示的测孔内选取不同径向距离的若干测点测量。得到不同横截面仁煤粉浓度分布。 2 0 一日 1 9 卜一{ 18 c l 夕 9 8 7 卜~ 十- 卜 B , 、 , 、枪卜煤了、护氧狄1\ 1 l l , / 10 朴戈之q 7 久习 `U V V4 V5 、ù, 图 3 高炉氧煤喷吹气一固两相流模拟装置 1 贮气罐 2 压力表 3 、 4 、 S 、 6 流量计 7 、 8 、 9 螺旋给料器 10 流化器 1 1 风机 12 氧煤枪 13 直吹管 14 除尘器 17 探头 18 信号处理电路 19 A / D 板 2 0 计算机 21 打印机 F i g . 3 sI o t be r m a l m o d e l fo r t w o 一 Ph a se fl o w e x eP ir m e n t 1~ 9 A 、 B 、图 4 测点位置示意图测量位置 , 10 直吹管 , C 、 D 测量方向 , 0 ` 枪位 1 , O 枪位 2, 直吹管主气流方向 , f 煤粉流入口 , g 氧气(以空气代替 )入口 Fig . 4 S e h e m a 石e a l d i a gr a m o f m e as 州 . 9 op is 行o n 3 试验结果及分析图 5 给出了 G Y 一 B , 型氧煤枪在直吹管内各截面上的煤粉浓度分布。图中横座标 r / R 为无量纲径向距离 (r 一径向距离 , R 一直吹管半径) ; 纵座标为无量纲的煤粒浓度 : C / C (〔 )一煤粉浓度 , C 一平等浓度 )从图上可看出 , 在氧煤枪出口附近很小的区域内煤粉浓度分布变化较大 , 而在离喷口一定距离以后 , 煤粉浓度值很快趋于均匀分布。在氧煤枪出口附近 , 沿着径向坐标方向 , 浓度先从最低值迅速上升到最大值 , 然后减小再逐渐增加至某一值。测孔 1 、 2 、 3 、 4 所在截面上都有类似的特征。由此可知 , 氧煤枪的气一固射流特性与气一固自由射流相比具有较大的差别川

·440· 北京科技大学学报 1993年N0.5 2.0 2.0 6 1.6 ) 1.6 1.2 代这 0.8 0.8 0.4 0.4 职 0.0 0.0 -1.0-0.6-0.200.20.40.60.8 -1.0-0.6-0.200.20.40.60.8 无量纲径向距离(r/R) 无量纲径向距离(r/R) 图5GY-B,型氧煤枪中直吹管内煤粉浓度分布 a枪位2b枪位1：1.3.4.5测孔位置（见图4） Fig.5 The concentration distribution of pulverized coal in blowpipe of GY-B oxygen-coal lance 产生这种现象的主要原内是氧煤枪插人直吹管后，枪口附近气流速度梯度很人，动量交换十分强烈，引起了该 50 12.0 口这域内的流动发生俐烈变化、并有可能 401 1.5 产生回流、湍流强度增大等。另外煤粉颗粒粒度小，而小颗粒煤粉湍流扩散的 30 2 1.0 施密特数接近于、因此，其扩散率较人，故在该区域内氧气流，直吹管主气 20 0.5 流与煤流混介极为激烈，使煤粉浓度 4 6 8 现上述变化规律。山于煤粉~出：山就与无量纲轴向矩离(x/R) ‘气流激烈掺混、所以在离出口截i2.5 倍于直吹停直径的截面处就达到了均) 图6GY-B,型氧煤枪煤粉及氧浓度分布状态。最然，浓度场的这特征为最大值衰减曲线煤混介、煤粉'气化燃烧创造了有利尔煤粉浓度、一一一氧浓度、件。说明所开发的这种新型氧煤枪心具 1-枪位2,2-枪位1 备了快速燃烧的良好前提 Fig.6 Attenuate curve of maximom concentra 另·方面、气一周射流于粒度较 tion of pulverized coal and oxygen for 人的颗粒具有较人的惯性因而具有·心 GY-B lance 的穿透深度，所以图中浓度的峰值位置迅速地向管壁偏斜.直：常管近管壁：。这使得射流流动方向所对以的管壁附近父域的煤粉浓度值很高。这种情况能付燃烧和直吹管的寿命都不利。但试验结果表明枪位可以直接彪响之。如图5是在枪位2下测得的、其尚浓度区非常靠近管壁、即使在离管壁0.1R处，浓度峰值的相！对值还人广12.而在怆位1 下的结果（图Sb)表明，煤粉的高浓度×则偏离管壁较远、在阁管01R处.其峰值的相对值比12小了许多。可见、通过调节枪位，以改善这种状况。图6给出了煤粉浓度最人值沿直吹管轴线方向的哀减曲线、其中虚线是发煤枪浓度的相应曲线。1此可知，煤粉浓度的最人值沿轴线方向华指数规律接减，H约作野：

4 0 化京科技大学价报 19 9 3 年 N o . 5 闷\ 。à 恻 .0408.12 经奔妙 · 岛崛叫厂 ` / 一 1 0 一 0 . 6 一 0 . 2 0 0 . 2 0 4 0 . 6 0 . 8 一 1 . 0 一 0石一 0 . 2 0 0 . 2 04 0 6 0 8 无量纲径向距离 (r/ R ) 无量纲径向距离 .(7 /)R 图 5 G Y一 B . 型氧煤枪中直吹管内煤粉浓度分布 a 枪位 2 卜枪位七 1 3 、 4 、 5 测孔位置 (见图引以.008162 亿\ a 薪à翅姗窦扮咧长 Fig . 5 T h e c o n e e n t r a t i o n d i s t r i b u ti o n o f p u l v e ri z e d e o a l i n b l o w p i衅 o f G、 ’ 一 B 一 o x y g e n一 e o a l l a n c e 恻袋窄钱心己基啊叫\ 甘已 nJ ; 人、 ’, 、卜 4030 岁 . 侧淞J 、喊产生这种现象的主要原因是气煤枪插入直吹管后 , 枪日附近气流速度梯度很人曰 , 动量交换十分强烈 , 引起了该区域内的流动发 ’ :.t 剧烈变化 , ; 仁了’lJ 丁能产生回流、湍流强度增大等。另外煤粉颗粒粒度小 , 而小颗粒煤粉湍流扩一散的施密特数接近卜 l3[ ! , 囚此 , 几扩散率较人 , 故在该区域内城气流、直吹粉主气流与煤流棍合极为激烈 , 使煤粉浓度 `, 臀现仁述变化规律。山于煤粉出仁J就与气流激烈掺棍 , 所以在离出日截 (lI 2 , 5 倍于直吹管直径的截 lft 处就达到了均匀分布状态。敏然 , 浓度场的这一特 {d 为氧煤棍合、煤粉气化燃烧仓 , 1造厂有利条件。说明所开发的这种新型权煤枪已具备了快速燃烧的良好前提另方 (l[J , 产毛一固射流山 f 粒度较人的颗粒具有较人的惯性囚而具有定立上泣之日。 . 5 0 2 4 6 8 无量纲轴向距离 ( x/ R ) 图 6 G Y 一 B . 型氧煤枪煤粉及氧浓度最大值衰减曲线煤粉浓度 , - - 一氧浓度 · 卜枪位 2 , 2 一枪位 l I 了19 . 6 A t t e 一 u a t e e u r v e o f 一 a 、 i n 一u n 一 e 砚, n e e n t r a t i o n o f P u l 、 c r i z e d c健, a l a n d o 、》 r g c n fo r G Y 一 B 一 l a n c c 的穿透深度 , 听以图中浓度的峰仇位 ’:,lt 迅速地向竹壁偏斜 , 广t 至 1卜常介近竹 `比这使得射流流动方向所对应的骨壁附近区域的煤粉浓度流很高。这种情况 ` : f 能刊一燃烧和广t 吹竹的寿命都不利。但试验结果表明 , 枪位可以汽接影响之。如图 s a 是在枪位 2 卜测得的 , 其.九浓度区4卜常靠近竹壁 , 即使在离竹壁 0 . ! R 处 , 浓度峰仔L的相尤打八还友 j ! . 乙 il( 在枪位 ! 下的结果 ( 图 s b) 表明 , 煤粉的高浓度区则偏离管壁较远 , 在离计壁 0 . ! R 处 . 生仁峰 ’fl t 的相对在汇比 1 . 2 小了许多 .叮见 . 通过调节枪位、 , l丁以改善这种状况图 6 给出了煤粉浓度最人 fl住沿直吹竹轴线力一向的衰减曲线 , J纷子 , 嘴线是 i亥乍〔煤枪城浓度的相应曲线 ’lJ 。山此可知 , 煤粉浓度的最大仔针片轴线方向从指数规律衰减 , 日 . 约在趾出

V ol . 15 N o . 5 刘应书等 : 高炉氧煤枪煤粉浓度场的研究 · 4 4 1 · 口截面 S R 处横截面上达到均匀。而相应的氧浓度达到均匀的距离为 7 R 。可以认为 , 这种氧煤枪的氧气与煤粉近似于同步分布 , 煤粉浓度高的区域 , 氧气浓度亦较高、有利丁煤粉的燃烧。由以上分析可知 , 氧煤喷吹时 . 煤粉在直吹管内 z 戈一固掺混剧烈 , 扩散速率较大 , 能迅速形成煤粉云。与形成的富氧区域相比较 , 煤粉达到均匀分布的轴向距离稍小 , 而分布的径向距离较大。这样 , 可以使有限的氧气集中在煤粉浓度较高的中间区域 , 从而得到有效充分利用。 4 结论 ( i) 红外透射法计算机煤粉浓度测定系统 I J 以准确、迅速、简便和直接地测定复杂流动条件下的煤粉浓度分布。 (2 ) 在氧煤枪轴线方向所对应的管壁附近 , 存在一个煤粉浓度较大的区域 , 通过调节枪位可以改善这种状况。 ( 3 ) 氧谋枪出口附近的煤粉浓度变化较为激烈 , 加速了气粉间的;昆合 , 在离氧煤枪出仁l端截汤贻勺2 · 5 倍于直吹管直径的截面处 , 煤粉浓度分布趋犷均匀该氧煤枪的氧气和煤粉近似于同步分布 , 煤粉浓度高的区域 , 氧浓度也高 , 说明该氧煤枪设计合理 , 能有效利用有限的氧气 , 为提高煤粉燃烧率提供了良好的条件。感谢高仲龙教授、刘述临教授的指导和常熟市喷嘴厂徐建石 . 沈金牛、诸福祥等 (司志的少、月支持参考文献岑可法樊建人 . 1 _ 程气固多相流的理论与计算 . 杭州 : 浙江大学出版社 , 19 9 0 . 5 2 6 一 5 3 1 张艳允 . 北京科技大学硕士论文 , 19 91 岑可法 , 樊建人 . 燃烧流体力学 , 北京 : 水利电力出版社 , 19 91 . 40 刘应书 , 杨天钧等 . 高炉氧煤枪的布氧特性 . 钢铁 , 19 94 , 29 〔1) (待发表 )