喷粉透气砖狭缝内气--固两相流动数值模拟

第36卷第10期 北京科技大学学报 Vol.36 No.10 2014年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2014 喷粉透气砖狭缝内气~固两相流动数值模拟 周建安”四，刘春明，刘中秋2，李宝宽”，战东平，倪红卫”，李志强” 1)武汉科技大学材料与治金学院，武汉4300812)东北大学材料与治金学院，沈阳110819 ☒通信作者，Emai:zhoujianant@sina.com 摘要狭缝型喷粉透气砖是铁水底喷粉脱硫预处理工艺重要功能性元件，对底喷粉脱硫工艺的顺利实施影响重大：结合实 际应用情况，基于欧拉一欧拉双流体和颗粒动力学理论，对喷粉透气砖狭缝内气一固两相流进行了三维数值模拟，得到狭缝内 的流场、压力场和颗粒相体积分数场分布.喷粉透气砖狭缝内颗粒相体积分数非均匀段长度一般为250mm,加速段长度一般 小于250mm,在颗粒直径为20μm时单缝内的压降最大，为2350Pa.工业试验结果表明，底喷粉工艺脱硫效率比同类型顶喷 粉工艺提高15%以上. 关键词炼铁：脱硫：狭缝：粉煤：两相流：数值模拟 分类号T℉538.6*3 Numerical simulation on gas-solid two-phase flow in slots of porous plugs ZHOU Jian-an LIU Chun-ming?,LIU Zhong-qiu,LI Bao-kuan,ZHAN Dong-ping?,NI Hong-wei,LI Zhi-qiang" 1)School of Materials and Metallurgy,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China 2)School of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China Corresponding author,E-mail:zhou_jianan@sina.com ABSTRACT The slot-type porous plug used for injecting pulverized coal into the ladle through a bottom position is an extremely im- portant element for desulfurization during hot iron pretreatment,and it makes great effect on the trouble-free operation of this desulfu- rization technology.With the help of the Eulerian-Eulerian model and the particle dynamic theory,a three-dimensional model is con- structed to evaluate the velocity,pressure and concentration fields of gas-solid two-phase flow in the slot of a porous plug.It is found that the concentration nonuniform length in the slot is about 250 mm,the acceleration length is always less than 250 mm,and the maxi- mum difference in pressure is 2350 Pa on condition that the particle size is 20 um.The result of industrial application shows that the desulfurization efficiency of coal injection through the bottom position is about 15%higher than that by the top lance. KEY WORDS ironmaking:desulfurization:slots;pulverized coal;two-phase flow:numerical simulation 铁水底喷粉脱硫预处理新工艺，是以气体为载 输送的安全性和效率，需要深入研究粉剂在透气砖 体将粉剂通过狭缝式透气砖从铁水包底部送入包内 狭缝内的流动状况. 进行喷粉铁水脱硫.该工艺操作简单、稳定可靠、脱 CFD(computational fluid dynamics)数值仿真是 硫率高、无喷溅现象、铁损少、温降小、无污染、处理 研究颗粒两相流的重要方法之一.国内外研究者应 周期短以及投资省，是比较理想的脱硫新工艺，具有 用欧拉一拉格朗日方法对水平气力输送和气一固喷 广阔的应用前景.狭缝型喷粉透气砖四是该工艺重 射器内气一固两相流场做了大量研究，同时结合离 要的功能性元件，对工艺顺行及处理效果的影响重 散单元法考虑颗粒之间以及颗粒与管壁之间的相互 大.为了确保透气砖底喷粉工艺的顺行，提高粉剂 作用，较为准确地模拟了气一固两相运动行为P. 收稿日期：2013-08-20 基金项目：国家自然科学基金项目支持(50804009)：国家高技术研究发展计划资助项目(No.2009AA03Z530) D0:10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.011;http:/1 joumals.usth.cu.cm

第 36 卷 第 10 期 2014 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 10 Oct． 2014 喷粉透气砖狭缝内气--固两相流动数值模拟 周建安1) ，刘春明2) ，刘中秋2) ，李宝宽1) ，战东平2) ，倪红卫1) ，李志强1) 1) 武汉科技大学材料与冶金学院，武汉 430081 2) 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819  通信作者，E-mail: zhou_jianan@ sina． com 摘 要 狭缝型喷粉透气砖是铁水底喷粉脱硫预处理工艺重要功能性元件，对底喷粉脱硫工艺的顺利实施影响重大． 结合实 际应用情况，基于欧拉--欧拉双流体和颗粒动力学理论，对喷粉透气砖狭缝内气--固两相流进行了三维数值模拟，得到狭缝内 的流场、压力场和颗粒相体积分数场分布． 喷粉透气砖狭缝内颗粒相体积分数非均匀段长度一般为 250 mm，加速段长度一般 小于 250 mm，在颗粒直径为 20 μm 时单缝内的压降最大，为 2350 Pa． 工业试验结果表明，底喷粉工艺脱硫效率比同类型顶喷 粉工艺提高 15% 以上． 关键词 炼铁; 脱硫; 狭缝; 粉煤; 两相流; 数值模拟 分类号 TF 538. 6 + 3 Numerical simulation on gas--solid two-phase flow in slots of porous plugs ZHOU Jian-an1)  ，LIU Chun-ming2) ，LIU Zhong-qiu2) ，LI Bao-kuan1) ，ZHAN Dong-ping2) ，NI Hong-wei1) ，LI Zhi-qiang1) 1) School of Materials and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China 2) School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China  Corresponding author，E-mail: zhou_jianan@ sina． com ABSTＲACT The slot-type porous plug used for injecting pulverized coal into the ladle through a bottom position is an extremely im￾portant element for desulfurization during hot iron pretreatment，and it makes great effect on the trouble-free operation of this desulfu￾rization technology． With the help of the Eulerian--Eulerian model and the particle dynamic theory，a three-dimensional model is con￾structed to evaluate the velocity，pressure and concentration fields of gas--solid two-phase flow in the slot of a porous plug． It is found that the concentration nonuniform length in the slot is about 250 mm，the acceleration length is always less than 250 mm，and the maxi￾mum difference in pressure is 2350 Pa on condition that the particle size is 20 μm． The result of industrial application shows that the desulfurization efficiency of coal injection through the bottom position is about 15% higher than that by the top lance． KEY WOＲDS ironmaking; desulfurization; slots; pulverized coal; two-phase flow; numerical simulation 收稿日期: 2013--08--20 基金项目: 国家自然科学基金项目支持( 50804009) ; 国家高技术研究发展计划资助项目( No． 2009AA03Z530) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 10． 011; http: / /journals． ustb． edu． cn 铁水底喷粉脱硫预处理新工艺，是以气体为载 体将粉剂通过狭缝式透气砖从铁水包底部送入包内 进行喷粉铁水脱硫． 该工艺操作简单、稳定可靠、脱 硫率高、无喷溅现象、铁损少、温降小、无污染、处理 周期短以及投资省，是比较理想的脱硫新工艺，具有 广阔的应用前景． 狭缝型喷粉透气砖［1］是该工艺重 要的功能性元件，对工艺顺行及处理效果的影响重 大． 为了确保透气砖底喷粉工艺的顺行，提高粉剂 输送的安全性和效率，需要深入研究粉剂在透气砖 狭缝内的流动状况． CFD ( computational fluid dynamics) 数值仿真是 研究颗粒两相流的重要方法之一． 国内外研究者应 用欧拉--拉格朗日方法对水平气力输送和气--固喷 射器内气--固两相流场做了大量研究，同时结合离 散单元法考虑颗粒之间以及颗粒与管壁之间的相互 作用，较为准确地模拟了气--固两相运动行为［2 － 4］．

第10期 周建安等：喷粉透气砖狭缝内气一固两相流动数值模拟 ·1349· 但是，该方法的计算量很大，不适用于稠密颗粒相流 a.Pipa.e (5) 动，一般要求颗粒相的体积分数小于12%.欧拉一 P. 欧拉多相模型是一种平均N一S方程，计算量相对于 (3)k-ε湍流方程： 欧拉一拉格朗日方法小很多，可以计算任意粒子体 本研究利用k一ε湍流模型计算气相的湍流涡 积分数和连续相物质，而且可以更加准确地反映气一 黏性4，对应的湍动能k和湍流耗散率ε方法 固两相间的相互作用.部分学者5-应用欧拉模型 如下： 对90°弯管气力输送和旋风分离器内的气一固两相 k2 hs=CPsE’ (6) 流进行模拟，得到了比较理想的结果.以往对于气一 固两相流的研究多集中于管道输送系统切，对于透 是p月+Ta,u)=7(=T）+G,p, 气砖狭缝内气一固两相流的研究较少.近几年，虽然 (7) 有学者对钢包精炼底喷粉透气砖狭缝内的气一固两 相流进行了一定研究8-9，但这些研究成果没有考 是oe+Tpu,）= 虑粉料粒度形状、粒度分布等影响因素，也没有进行 工业试验验证 r(台c+(G.6-6pe,⑧ 本文在结合实际应用的条件下，采用欧拉一欧 式中，为时间.由于平均速度梯度引起的湍流动能 拉模型对喷粉透气砖狭缝内气一固两相流动进行了 k的产生项G为 理论和应用研究，得出了喷粉透气砖狭缝内颗粒相 Gg=ug[Vu.+（Vu）门Vug (9) 体积分数非均匀段和运动加速段长度，并对该工艺 模型常量取值为：Ce=1.44,C2=1.92,C= 进行了工业试验验证. 0.09,σk=1.0,o。=1.3. 1.2相间作用力 1数学模型 两相间的动量交换通过相间作用力实现，包括 1.1欧拉-欧拉双流体模型 F:=-F.=-F..=Fp+FL+FvM.(10) 欧拉一欧拉双流体流动模型的主要控制方程包 式中，F。、F和F右侧的三项分别代表曳力、浮升 括：连续性方程、动量方程和k-ε湍流方程0 力和虚拟质量力. (1)连续性方程： 曳力定义为 (ap)+(ap)0.i (1) R=-n,2a-1a-. (11) 式中，t为时间，a:是i相的体积分数，P:是i相的密 式中，a,是颗粒相的体积分数，d,是颗粒的直径 度，4：是i相的速度，V是哈密顿算子. 定义颗粒Reynolds数Re,=psIu,-u.Id.μg,当它足 (2)动量守恒方程： 够大的时候，曳力系数Cp是与Reynolds无关的量， 是(apa)+T（ap,ua)= 即Cn=0.44,1000≤Re≤2×10. 浮升力定义为： -a:Vp-V (a:T)+ap:g+F: (2) FL=ap.CL(u,-u）×V×ug (12) 式中，：是i相的应力，P是所有相共享的压力，g为 式中C是模型常数，取为0.5. 重力加速度，F:为相间动量交换 虚拟质量力定义为： i相方程的应力项为： du,dus (13) 元=-[u+(Tu)r-子，(7u)小 FvM =ap:Cvu didi) 式中，虚拟质量系数CvM=0.5. (3) 1.3网格独立性分析 式中：δ是Kronecher符号；V:为i相的速度梯度； 本文以狭缝型喷粉透气砖的单个狭缝为研究对 山“.：是有效黏度，它由两部分构成，分别是分子黏度 象，如图1所示.狭缝几何尺寸和流体物性参数见 和湍流黏度 表1.采用有限体积法计算该单缝内的流场及颗粒 颗粒有效黏性与气体有效黏性存在如下关系： 相分布.为了能够捕捉足够多内部流场结构来分析 lef,g=八mg+L,g (4) 狭缝内颗粒相的湍动状态，本文建立三种结构化网

第 10 期 周建安等: 喷粉透气砖狭缝内气--固两相流动数值模拟 但是，该方法的计算量很大，不适用于稠密颗粒相流 动，一般要求颗粒相的体积分数小于 12% ． 欧拉-- 欧拉多相模型是一种平均 N--S 方程，计算量相对于 欧拉--拉格朗日方法小很多，可以计算任意粒子体 积分数和连续相物质，而且可以更加准确地反映气-- 固两相间的相互作用． 部分学者［5 － 6］应用欧拉模型 对 90°弯管气力输送和旋风分离器内的气--固两相 流进行模拟，得到了比较理想的结果． 以往对于气-- 固两相流的研究多集中于管道输送系统［7］，对于透 气砖狭缝内气--固两相流的研究较少． 近几年，虽然 有学者对钢包精炼底喷粉透气砖狭缝内的气--固两 相流进行了一定研究［8 － 9］，但这些研究成果没有考 虑粉料粒度形状、粒度分布等影响因素，也没有进行 工业试验验证． 本文在结合实际应用的条件下，采用欧拉--欧 拉模型对喷粉透气砖狭缝内气--固两相流动进行了 理论和应用研究，得出了喷粉透气砖狭缝内颗粒相 体积分数非均匀段和运动加速段长度，并对该工艺 进行了工业试验验证． 1 数学模型 1. 1 欧拉--欧拉双流体模型 欧拉--欧拉双流体流动模型的主要控制方程包 括: 连续性方程、动量方程和 k--ε 湍流方程［10］． ( 1) 连续性方程:  t ( αiρi ) + Δ ( αiρiui ) = 0， i = g，s． ( 1) 式中，t 为时间，αi 是 i 相的体积分数，ρi 是 i 相的密 度，ui 是 i 相的速度， Δ 是哈密顿算子． ( 2) 动量守恒方程:  t ( αiρiui ) + Δ ( αiρiuiui ) = － αi Δ p － Δ ( αiτi ) + αiρig + Fi ． ( 2) 式中，τi 是 i 相的应力，p 是所有相共享的压力，g 为 重力加速度，Fi 为相间动量交换． i 相方程的应力项为: τi = － μeff，i [ Δ ui + ( Δ ui ) T － 2 3 δij( Δ ui ] ) ． ( 3) 式中: δij是 Kronecher 符号; Δ ui 为 i 相的速度梯度; μeff，i是有效黏度，它由两部分构成，分别是分子黏度 和湍流黏度． 颗粒有效黏性与气体有效黏性存在如下关系: μeff，g = μm，g + μt，g ． ( 4) μeff，s = ρs ρg μeff，g ． ( 5) ( 3) k--ε 湍流方程: 本研究利用 k--ε 湍流模型计算气相的湍流涡 黏性 μt，g，对应 的 湍 动 能 k 和 湍 流 耗 散 率 ε 方 法 如下: μt，g = Cμ ρg k 2 ε ， ( 6)  t ( ρg k) + Δ ( ρgug k) = ( Δ μt，g σk Δ ) k + Gk，g － ρgε， ( 7)  t ( ρgε) + Δ ( ρgugε) = ( Δ μt，g σε Δ ε ) + ε k ( G1εGk，g － G2ε ρgε) ， ( 8) 式中，t 为时间． 由于平均速度梯度引起的湍流动能 k 的产生项 Gk，g为 Gk，g = μt，g ［ Δ ug + ( Δ ug ) T ］ Δ ug ． ( 9) 模型 常 量 取 值 为: C1ε = 1. 44，C2ε = 1. 92，Cμ = 0. 09，σk = 1. 0，σε = 1. 3． 1. 2 相间作用力 两相间的动量交换通过相间作用力实现，包括 Fi = － Fg，s = － Fs，g = FD + FL + FVM ． ( 10) 式中，FD、FL和 FVM右侧的三项分别代表曳力、浮升 力和虚拟质量力． 曳力定义为 FD = － 3 4 αsρg CD ds | us － ug | ( us － ug ) ． ( 11) 式中，αs 是颗粒相的体积分数，ds 是颗粒的直径． 定义颗粒 Ｒeynolds 数 Ｒes = ρg | us － ug | ds /μg，当它足 够大的时候，曳力系数 CD 是与 Ｒeynolds 无关的量， 即 CD = 0. 44，1000≤Ｒe≤2 × 105 ． 浮升力定义为: FL = αsρgCL ( us － ug ) × Δ × ug ． ( 12) 式中 CL 是模型常数，取为 0. 5． 虚拟质量力定义为: FVM = αsρgCVM ( dus dt － dug d ) t ． ( 13) 式中，虚拟质量系数 CVM = 0. 5． 1. 3 网格独立性分析 本文以狭缝型喷粉透气砖的单个狭缝为研究对 象，如图 1 所示． 狭缝几何尺寸和流体物性参数见 表 1． 采用有限体积法计算该单缝内的流场及颗粒 相分布． 为了能够捕捉足够多内部流场结构来分析 狭缝内颗粒相的湍动状态，本文建立三种结构化网 · 9431 ·

·1350 北京科技大学学报 第36卷 格，网格数分别为20000、80000和150000.然后在 1.4边界条件及计算方法 粉气质量比10：1下，利用本模型计算粒径为20m 本数学模型的边界条件设置为：(1)速度入口 的粉剂在氮气中的运动情况.图2给出了CaC,粉剂 (缝的下部)60m·s1:(2)压力出口（缝的上部） 和氮气在狭缝中心线上的速度分布.由图可知，三 101325Pa;(3)固体壁面为无滑移光滑壁面. 种网格情况下的速度计算误差均在0.5%范围内， 求解控制中，连续性方程、速度方程、k一ε方程 且后两种网格的误差更小，所以本文在保证计算结 和固相体积分数残差收敛标准均采用1.0×104， 果准确性的同时，为了节省计算量，选择网格数为 能量方程残差收敛标准采用1.0×10-6标准。压力 80000的网格进行计算 速度耦合选择Phase Coupled SIMPLE算法，离散采 透气砖顶部 用一阶迎风格式. 狭缝 2透气砖狭缝内气粉两相流速度和颗粒相 体积分数分布 图3为不同粉气质量比和粒径的粉剂在狭缝中 心线上的速度分布速度分布.由图3可知，粉气质 量比对于粉剂在狭缝内速度分布的影响基本可以忽 略.粉剂在狭缝入口处速度急剧增加.此后，随着 粉剂颗粒粒径的增加，粉剂在狭缝内加速达到稳定 粉剂进口 状态所需距离增加.粉剂颗粒粒径d为5um时，粉 图1狭缝型喷粉透气砖结构 剂在狭缝入口附近便达到稳定速度并在出口附近有 Fig.1 Structure of the slot-type porous plug 所减小.当粉剂颗粒粒径为20μm时，粉剂速度持 续增加并在狭缝出口处达到稳定值.当粉剂粒径增 表1数值模拟过程中的几何、物性和操作参数 Table 1 Geometrical properties,physical properties and operating con- 大至40μm及100um时，粉剂速度在狭缝内持续增 ditions used in numerical simulation model 加，在出口处分别达到56ms及44ms.在粒 参数 飞 CaC2 度小于20μm,粉气质量比较小时，加速段长度一般 密度1(103kgm-3) 0.00125 2.22 小于250mm. 黏度/(103Pas) 0.01663 0.016 图4为不同粉气质量比条件下的粉剂颗粒相在 5,10,40,100 狭缝中心线上的体积分数分布.由图4可知，粒径 粒度/μm 粉气质量比 5:1,10:1 和粉气质量比对于粉剂颗粒相在狭缝中心线上体积 分数变化的影响较大.当粉剂粒径为5um时，随着 单缝高度/mm 400 粉气质量比增加，粉剂颗粒相体积分数在狭缝内达 单缝宽度/mm 20 到稳定状态所需距离增加，其体积分数也增加.当 单缝厚度/mm 0.15 粉气质量比为5：1时，随着粉剂颗粒粒径增大，颗粒 0 60H 68 一2万网格 一8万网格 50 66 一15万网格 40 一一2万网格 一8万网格 30 一15万网格 62 60 10 58 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 560 0.08 0.16 0.24 032 0.40 高度m 高度m 图2粉气质量比10：1下两相中CaC2(a)和N2速度分布(b) Fig.2 Velocity distributions of CaC,(a)and N2 (b)at a solid/gas mass ratio of 10:1

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 格，网格数分别为 20000、80000 和 150000． 然后在 粉气质量比 10∶ 1下，利用本模型计算粒径为 20 μm 的粉剂在氮气中的运动情况． 图 2 给出了 CaC2粉剂 和氮气在狭缝中心线上的速度分布． 由图可知，三 种网格情况下的速度计算误差均在 0. 5% 范围内， 且后两种网格的误差更小，所以本文在保证计算结 果准确性的同时，为了节省计算量，选择网格数为 80000 的网格进行计算． 图 1 狭缝型喷粉透气砖结构 Fig． 1 Structure of the slot-type porous plug 表 1 数值模拟过程中的几何、物性和操作参数 Table 1 Geometrical properties，physical properties and operating con￾ditions used in numerical simulation model 参数 N2 CaC2 密度/( 103 kg·m － 3 ) 0. 00125 2. 22 黏度/( 10 － 3 Pa·s) 0. 01663 0. 016 粒度/μm ― 5，10，40，100 粉气质量比 5∶ 1，10∶ 1 单缝高度/mm 400 单缝宽度/mm 20 单缝厚度/mm 0. 15 图 2 粉气质量比 10∶ 1下两相中 CaC2 ( a) 和 N2速度分布( b) Fig． 2 Velocity distributions of CaC2 ( a) and N2 ( b) at a solid /gas mass ratio of 10∶ 1 1. 4 边界条件及计算方法 本数学模型的边界条件设置为: ( 1) 速度入口 ( 缝的下部) 60 m·s － 1 ; ( 2) 压力出口( 缝的上部) 101325 Pa; ( 3) 固体壁面为无滑移光滑壁面． 求解控制中，连续性方程、速度方程、k--ε 方程 和固相体积分数残差收敛标准均采用 1. 0 × 10 － 4， 能量方程残差收敛标准采用 1. 0 × 10 － 6标准． 压力 速度耦合选择 Phase Coupled SIMPLE 算法，离散采 用一阶迎风格式． 2 透气砖狭缝内气粉两相流速度和颗粒相 体积分数分布 图 3 为不同粉气质量比和粒径的粉剂在狭缝中 心线上的速度分布速度分布． 由图 3 可知，粉气质 量比对于粉剂在狭缝内速度分布的影响基本可以忽 略． 粉剂在狭缝入口处速度急剧增加． 此后，随着 粉剂颗粒粒径的增加，粉剂在狭缝内加速达到稳定 状态所需距离增加． 粉剂颗粒粒径 ds为 5 μm 时，粉 剂在狭缝入口附近便达到稳定速度并在出口附近有 所减小． 当粉剂颗粒粒径为 20 μm 时，粉剂速度持 续增加并在狭缝出口处达到稳定值． 当粉剂粒径增 大至 40 μm 及 100 μm 时，粉剂速度在狭缝内持续增 加，在出口处分别达到 56 m·s － 1及 44 m·s － 1 ． 在粒 度小于 20 μm，粉气质量比较小时，加速段长度一般 小于 250 mm． 图 4 为不同粉气质量比条件下的粉剂颗粒相在 狭缝中心线上的体积分数分布． 由图 4 可知，粒径 和粉气质量比对于粉剂颗粒相在狭缝中心线上体积 分数变化的影响较大． 当粉剂粒径为 5 μm 时，随着 粉气质量比增加，粉剂颗粒相体积分数在狭缝内达 到稳定状态所需距离增加，其体积分数也增加． 当 粉气质量比为 5∶ 1时，随着粉剂颗粒粒径增大，颗粒 · 0531 ·

第10期 周建安等：喷粉透气砖狭缝内气一固两相流动数值模拟 ·1351· 70 70 a (b) 60 60 +...... 50H 0 40 30 。d=5m ◆-d.=20μm 3 ·-d=5um +-d-40um 20 ◆-d=20um d=40 um -d=100μm 10 -t-d=100m 0.08 0.16 024 0.32 0.40 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 高度m 高度m 图3粉气质量比为5：1(a)和10：1(b)时颗粒相速度分布 Fig.3 Velocity distribution of particles at a solid/gas mass ratio of 5:1 (a)and 10:1 (b) 相体积分数在狭缝内开始增加，达到稳定值所需距 起来了，而是沿管壁的方向运动，直至喷出. 离也变大.但是，当粒径为40μm及100μm时，颗 图5为粉气质量比5：1条件下在狭缝内气流速 粒相体积分数在狭缝出口附近才有所增加.这一现 度和压力分布.由图5可知，气流在通过狭缝的过 象在粉气质量比为10：1时表现得更为明显.由于气 程中，其速度增长而压力下降.颗粒直径为5m和 体进口速度很大，所以粒子在进口迅速被加速，造成 20μm时，气流速度和压力在个别位置出现拐点.颗 加速段小粒径粒子的体积分数很小，而大粒径的粒 粒直径为40um和100μm时，速度和压力沿高度方 子速度增加较慢，所以造成粒子在进口处停留，表现 向基本呈现线性变化，且粒径因素对其变化程度影 其体积分数相对较大.粉气质量比小且颗粒粒度 响甚微.分析进出口压降的变化可知，整个过程压 小，则颗粒相体积分数变化相对较大，反之变化相对 强不断降低，压降增大.当颗粒直径为20μm时，单 较小.如图3所示，高速的气流通过曳力把能量传 缝内的气流压降最大，为2350Pa;颗粒直径为5μm 递给了颗粒，所以加速段颗粒蕴藏的能量较大而且 时为1700Pa;而颗粒直径为40um和100um时仅 相互之间的碰撞较多，因此颗粒的跃动也较大.进 为700Pa左右，相应的出口速度较大. 入稳定输运状态之后，可以看到不同粒径的粒子达 到稳定状态的时间不同.粒径为5m的粒子大致 3工业试验结果 在75mm处达到稳定，20μm的粒子在250mm处达 3.1CaC2基粉剂形状及粒度分布 到稳定.而40m和100m的粒子体积分数除了 进口和出口外，在其余区域始终很小.我们分析是 试验用脱硫粉剂为钝化CaC,粉，其颗粒形状如 大粒子随着气体在轴向运动，颗粒不断扩散开，局部 图6所示.由BT9300H型激光式粒度分布仪测得 体积分数减小，动量耗损，此时颗粒基本上就跃动不 的CaC,基粉粒度：中位径(Do)为10.88m,体积平 0.004 0.007 (a) 0.006 0.003 身时 0.005 0.002 0.004 。-d=5μm -.d=5 um -d=20m 0.003 +-d-20um d=40 um d=40 um 0.00 -d=100um 0.002 d=1004m 0.001 -0.001 -0.001 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 0.08 0.160.24 0.32 0.40 高度m 高度m 图4粉气质量比为5：1(a)和10：1(b)时颗粒相的体积分数分布 Fig.4 Volume fraction distribution of particles at solid/gas mass ratio 5:1 (a)and 10:1 (b)

第 10 期 周建安等: 喷粉透气砖狭缝内气--固两相流动数值模拟 图 3 粉气质量比为 5∶ 1 ( a) 和 10∶ 1 ( b) 时颗粒相速度分布 Fig． 3 Velocity distribution of particles at a solid /gas mass ratio of 5∶ 1 ( a) and 10∶ 1 ( b) 相体积分数在狭缝内开始增加，达到稳定值所需距 离也变大． 但是，当粒径为 40 μm 及 100 μm 时，颗 粒相体积分数在狭缝出口附近才有所增加． 这一现 象在粉气质量比为 10∶ 1时表现得更为明显． 由于气 体进口速度很大，所以粒子在进口迅速被加速，造成 加速段小粒径粒子的体积分数很小，而大粒径的粒 子速度增加较慢，所以造成粒子在进口处停留，表现 其体积分数相对较大． 粉气质量比小且颗粒粒度 小，则颗粒相体积分数变化相对较大，反之变化相对 图 4 粉气质量比为 5∶ 1 ( a) 和 10∶ 1 ( b) 时颗粒相的体积分数分布 Fig． 4 Volume fraction distribution of particles at solid /gas mass ratio 5∶ 1 ( a) and 10∶ 1 ( b) 较小． 如图 3 所示，高速的气流通过曳力把能量传 递给了颗粒，所以加速段颗粒蕴藏的能量较大而且 相互之间的碰撞较多，因此颗粒的跃动也较大． 进 入稳定输运状态之后，可以看到不同粒径的粒子达 到稳定状态的时间不同． 粒径为 5 μm 的粒子大致 在 75 mm 处达到稳定，20 μm 的粒子在 250 mm 处达 到稳定． 而 40 μm 和 100 μm 的粒子体积分数除了 进口和出口外，在其余区域始终很小． 我们分析是 大粒子随着气体在轴向运动，颗粒不断扩散开，局部 体积分数减小，动量耗损，此时颗粒基本上就跃动不 起来了，而是沿管壁的方向运动，直至喷出． 图 5 为粉气质量比 5∶ 1条件下在狭缝内气流速 度和压力分布． 由图 5 可知，气流在通过狭缝的过 程中，其速度增长而压力下降． 颗粒直径为 5 μm 和 20 μm 时，气流速度和压力在个别位置出现拐点． 颗 粒直径为 40 μm 和 100 μm 时，速度和压力沿高度方 向基本呈现线性变化，且粒径因素对其变化程度影 响甚微． 分析进出口压降的变化可知，整个过程压 强不断降低，压降增大． 当颗粒直径为 20 μm 时，单 缝内的气流压降最大，为 2350 Pa; 颗粒直径为 5 μm 时为 1700 Pa; 而颗粒直径为 40 μm 和 100 μm 时仅 为 700 Pa 左右，相应的出口速度较大． 3 工业试验结果 3. 1 CaC2基粉剂形状及粒度分布 试验用脱硫粉剂为钝化 CaC2 粉，其颗粒形状如 图 6 所示． 由 BT--9300H 型激光式粒度分布仪测得 的 CaC2基粉粒度: 中位径( D50 ) 为 10. 88 μm，体积平 · 1531 ·

·1352 北京科技大学学报 第36卷 70 2500 (a) (b) 68 。-d=5m -d=5μm ◆-d=20μm ◆-d=20um d=40 um 2000 66 +-d=40um d=100 um -d=100um 60+。门 64 e1500 62 1000 ◆ ◆ 58 500 56 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 0.08 0.160.24 0.32 0.40 高度m 高度m 图5粉气质量比5：1时狭缝内气体速度(a)和压力(b)分布 Fig.5 Velocity (a)and pressure (b)distribution of gas flow in the slot at a solid/gas mass ratio of 5:1 图650um(a)和5μm(b)视场中钝化CaC2粉剂的颗粒形状 Fig.6 Particle shape of passivating calcium carbide in viewing fields of 50 um (a)and 5 um (b) 均径D4.)为15.12μm,面积平均径DB,习为 220mm,颗粒相体积分数非均匀段长度250mm,狭 4.12um,比表面积968.7m2kg-1.CaC2基粒度分 缝呈圆周对称布置，大小、间距相同，狭缝数量共30 布如图7所示. 条，喷吹压力为0.4MPa.脱硫粉剂采用钝化CaC2, 100 0 粒度及其分布同上.这说明计算采用的狭缝尺度和 粉剂粒度对生产实际应用具有一定指导意义. 80 16 60 2 4结论 (1)喷粉透气砖前段有一加速段和颗粒相体积 20 分数非均匀段： (2)颗粒由“静止”开始在透气砖狭缝内作加 10 10 10 速运动，最后形成稳定态.颗粒越大其速度比越小； 粒径μm 质量比越大，其速度比越小.粒径小于20um的颗 图7CaC2粉粒度分布 粒渐趋稳定前，其加速运行的长度一般小于 Fig.7 Size distribution of caleium carbide 250mm; 3.2应用效果 (3)在颗粒粉剂加速初期，颗粒相体积分数相 通过在某治金企业20t铁水包底部喷粉透气砖 对较高。随着输送过程的进行，颗粒相体积分数由 狭缝进行炉外底喷粉脱硫预处理试验表明)：该工 小变大直到稳定，且渐趋均匀.颗粒相体积分数非 艺脱硫效率比同类型顶喷粉工艺提高15%以上.试 均匀段长度一般为250mm; 验采用狭缝式喷粉透气砖元件，狭缝尺寸 (4)工业试验结果表明，该工艺操作简单，脱硫 0.15mm×20mm×400mm,其中加速段长度采用 效率比同类型顶喷粉工艺提高15%以上

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 5 粉气质量比 5∶ 1时狭缝内气体速度( a) 和压力( b) 分布 Fig． 5 Velocity ( a) and pressure ( b) distribution of gas flow in the slot at a solid /gas mass ratio of 5∶ 1 图 6 50 μm ( a) 和 5 μm ( b) 视场中钝化 CaC2粉剂的颗粒形状 Fig． 6 Particle shape of passivating calcium carbide in viewing fields of 50 μm ( a) and 5 μm ( b) 均径 D［4，3］ 为 15. 12 μm，面 积 平 均 径 D［3，2］ 为 4. 12 μm，比表面积 968. 7 m2 ·kg － 1 ． CaC2 基粒度分 布如图 7 所示． 图 7 CaC2粉粒度分布 Fig． 7 Size distribution of calcium carbide 3. 2 应用效果 通过在某冶金企业 20 t 铁水包底部喷粉透气砖 狭缝进行炉外底喷粉脱硫预处理试验表明［11］: 该工 艺脱硫效率比同类型顶喷粉工艺提高 15% 以上． 试 验采用狭缝式喷粉透气砖元件，狭 缝 尺 寸 0. 15 mm × 20 mm × 400 mm，其中加速段长度采用 220 mm，颗粒相体积分数非均匀段长度 250 mm，狭 缝呈圆周对称布置，大小、间距相同，狭缝数量共 30 条，喷吹压力为 0. 4 MPa． 脱硫粉剂采用钝化 CaC2， 粒度及其分布同上． 这说明计算采用的狭缝尺度和 粉剂粒度对生产实际应用具有一定指导意义． 4 结论 ( 1) 喷粉透气砖前段有一加速段和颗粒相体积 分数非均匀段; ( 2) 颗粒由“静止”开始在透气砖狭缝内作加 速运动，最后形成稳定态． 颗粒越大其速度比越小; 质量比越大，其速度比越小． 粒径小于 20 μm 的颗 粒 渐 趋 稳 定 前，其加速运行的长度一般小于 250 mm; ( 3) 在颗粒粉剂加速初期，颗粒相体积分数相 对较高． 随着输送过程的进行，颗粒相体积分数由 小变大直到稳定，且渐趋均匀． 颗粒相体积分数非 均匀段长度一般为 250 mm; ( 4) 工业试验结果表明，该工艺操作简单，脱硫 效率比同类型顶喷粉工艺提高 15% 以上． · 2531 ·

第10期 周建安等：喷粉透气砖狭缝内气固两相流动数值模拟 ·1353· 参考文献 Luo K,Yan J,Fan J R,et al.On coherent structures in a three- [Zhou J A,Zhu M Y,Pan S S,et al.Experimental study on desul- dimensional transitional plane jet.Sci China Ser E,2008,51 furization for hot metal pretreatment with bottom powder injection (4):386 through slot plug.J Iron Steel Res,2007,19(9):14 [8]Zhou J A.Study on the New Refining Process of Desulfurization in (周建安，朱苗勇，潘时松，等.狭缝式透气砖底喷粉铁水脱 Ladle with Bottom Powder Injection through Slot Porous Plug DDis- 硫的实验研究.钢铁研究学报，2007,19(9)：14) sertation].Shenyang:Northeastern University,2007 Xiong YQ.Experimental Research and Three-dimensional Numeri- (周建安.狭缝型透气砖底喷粉脱硫钢包精炼新工艺研究[学 cal Simulation on Conveying Properties of Gas-solid Injector [Dis- 位论文].沈阳：东北大学，2007) sertation].Nanjing:Southeastem University,2003 9 Pan S S,Zhu M Y.Motion characteristics of injected powder (熊源泉.气固喷射器输送特性的试验研究及其三维数值模 through porous brick mounted in the bottom of refining ladle.Acta 拟[学位论文].南京：东南大学，2003) Metall Sin,2007,43(5):553 B3]Xiong Y Q,Yuan Z L,Zhang M Y.Three-imensional numerical (潘时松，朱苗勇.精炼钢包透气砖中喷粉颗粒的运动特性 simulation on conveying properties of gassolid injector under pres- 金属学报，2007,43(5)：553) surization.J Chem Ind Eng,2004,55(10):1638 [10]Liu Z Q,Li B K,Jiang M F,et al.Modeling of transient two- (熊源泉，袁竹林，章名耀.加压条件下气固喷射器疏松特性 phase flow in a continuous casting mold using Euler-Euler large 的三维数值模拟.化工学报，2004,55(10)：1638) eddy simulation scheme.IS/J Int,2013,53(3):484 4]Tsuji Y,Kawaguchi T.Discrete particle simulation of two-dimen- [11]Zhou J A,Sun Z Q,Zhan D P,et al.Comparative study of de- sional fluidized bed.Power Technol,1993,77:79 sulphurization with powder injected into hot iron through lance [5]Chu K W,Yu A B.Numerical simulation of complex particle-fluid and slot porous plug.J Northeast Univ Nat Sci,2012,33 (1): flows.Power Technol,2008,179:104 90 6]Lai Y L.Tai Y Q,Rensheng D,et al.Pneumatic transport of (周建安，孙中强，战东平，等.铁水包顶底喷粉脱硫对比试 granular materials through a 90 bend.Chem Eng Sci,2004,59: 验研究.东北大学学报：自然科学版，2012,33(1)：90) 4637

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