·502* 工程科学学报，第37卷，第4期 Ro=koa creo (5) 逆向流动问题，模型采用全场迭代 (6)水气变换反应.水气变换反应速度是基于 (2)风口燃烧.基于风口回旋区的质量守恒和能 800~1100℃温度范围的实验数据所得0，其反应速 量守恒，并根据风口处所喷入的氧气鼓风、煤粉、循环 度计算如下： 煤气等条件计算出反应后的一次煤气流量、成分、温 R:=6.4exc P exp(-281314/R,T.) 度、焦炭反应量等参数.其中考虑的化学反应有C的 T √/1+14.158×10-xuP/T, 不完全燃烧、C的水煤气反应以及C的溶损反应. ,ep(-238260/RT）(6) (3)炉外煤气平衡.炉外煤气平衡是基于炉外煤 √+4.24×10xcoP/T. 气物料、能量守恒和氧气高炉系统氮守恒进行计算，可 (7)矿石和炉渣熔融相变过程.由于模型内只有 以获取加热循环煤气所需热量、剩余炉顶煤气的外供 气固两相，未考虑熔融液相，因此本文采用等效比热容 量、循环煤气的流量和成分：N,通过加热炉内的炉顶煤 法对矿石和炉渣的熔融相变过程进行处理.熔融相变 气燃烧过程排出，避免N,在氧气高炉内积累 过程由传热速率控制，熔融相变速率的计算如下： 炉项煤气循环氧气高炉模型的计算流程如图2所 R.=hea(T.-7.) 示.基于矿比、焦比以及原料成分来确定固相的流量、 (7) AH。 组分和温度，并作为高炉一维模型炉顶处的固相入口 1.4气固换热及热物性参数的确定 条件：经风口燃烧计算所得的一次煤气的流量、组分和 (1)气固换热系数.学者们提出了很多气固换热 温度作为高炉一维模型下排风口处的气相入口条件： 系数，如Raz四在单颗粒气固换热的基础上提出了填 经炉外煤气平衡计算所得循环煤气的流量、组分和温 充床条件下的气固换热系数，Akiyama等圆根据实验 度作为高炉一维模型上排风口和风口回旋区燃烧计算 研究提出了逆向移动床气固换热系数.由于高炉内存 的气相入口条件；高炉一维模型的炉底处固相出口条 在复杂的化学反应，因此炉内气固换热系数需要针对 件和炉顶处气相出口条件都设为完全发展条件. 炉内复杂情况进行相应的修正.本文采用Hatano和 1.6高炉一维模型验证分析 Kurita根据高炉解剖数据修正所获取的气固换热系 炉顶煤气循环氧气高炉处于研发论证阶段，在国 数，气固换热系数计算公式如下： 开始 Nu=2.0+0.6(9Re.)pPrn (8) 输入高炉尺寸结构：混合矿，焦炭 4=y学u (9) 鼓风、煤粉，循环煤气的成分和温度： 铁水生产率、比、煤比、鼓风量， 循环煤气量：鼓风压力 (2)气体黏度.混合气体的黏度计算采用常用的 经验公式如下： 假定循环煤气成分 ∑xM . 八g= (10) 风口燃烧区 风口燃烧区的能质平衡计算 ∑，Mn 改变循环 (3)气、固相比热容.炉内气相和固相的平均比 计算炉内化学反应速率 煤气成分 热容根据混合物的比热容平均而得，其表达式如下： 算炉内气体 c=∑cr 质量流量、成分和温度 (11) 本体 一维模型 1.5计算方法及流程 计算炉内固体质量流量 成分和温度 炉顶煤气循环氧气高炉的数值计算包括高炉一维 气固换热与反应动力学模型求解、氧气鼓风条件下的 炉顶煤气 平衡系统 循环煤气系统能质平衡计算 煤粉燃烧和炉顶煤气脱除以及加热过程能质平衡 计算. 炉内变量收敛？ 否 (1)高炉一维模型.一维模型的空间离散采用交 上是 错网格，将温度、组分和压力等在正常的网格节点上存 输出结果 储和计算，将速度放在错位后的网格上存储和计算. 由于该模型只考虑了轴向一维过程，忽略了气固流动 C停止○ 和传热过程的扩散项，导致贝克列数很大，因此方程离 图2模型的计算流程 散采用一阶迎风的差分格式.为了解决炉内气固两相 Fig.2 Flow chart of calculation in the simulation model工程科学学报，第 37 卷，第 4 期 Ｒ6 = k6 ac c 2 FeO ． ( 5) ( 6) 水气变换反应． 水气变换反应速度是基于 800 ～ 1100 ℃温度范围的实验数据所得［20］，其反应速 度计算如下: Ｒ7 = 6. 4εx 1 2 CO xH2O ( P T ) g 3 2 exp( － 281314 /ＲgTg ) 1 + 14. 158 × 10 － 5 xH2 槡 P / Tg － 0. 12εxCO2 x 1 2 H2 ( P T ) g 3 2 exp ( － 238260 /ＲgTg ) 1 + 4. 24 × 10 － 5 x 槡 CO P / Tg ． ( 6) ( 7) 矿石和炉渣熔融相变过程． 由于模型内只有 气固两相，未考虑熔融液相，因此本文采用等效比热容 法对矿石和炉渣的熔融相变过程进行处理． 熔融相变 过程由传热速率控制［21］，熔融相变速率的计算如下: Ｒm = hgsa( Tg － Ts) ΔHm ． ( 7) 1. 4 气固换热及热物性参数的确定 ( 1) 气固换热系数． 学者们提出了很多气固换热 系数，如 Ｒanz［22］在单颗粒气固换热的基础上提出了填 充床条件下的气固换热系数，Akiyama 等［23］根据实验 研究提出了逆向移动床气固换热系数． 由于高炉内存 在复杂的化学反应，因此炉内气固换热系数需要针对 炉内复杂情况进行相应的修正． 本文采用 Hatano 和 Kurita［24］根据高炉解剖数据修正所获取的气固换热系 数，气固换热系数计算公式如下: Nu = 2. 0 + 0. 6 ( 9Ｒeg ) 1 /3 Pr1 /2 ． ( 8) hgs = γ kg dp Nu． ( 9) ( 2) 气体黏度． 混合气体的黏度计算采用常用的 经验公式如下: μg = ∑ N i = 1 xiM1 /2 i μi ∑ N i = 1 xiM1 /2 i ． ( 10) ( 3) 气、固相比热容． 炉内气相和固相的平均比 热容根据混合物的比热容平均而得，其表达式如下: c = ∑ N i ciyi ． ( 11) 1. 5 计算方法及流程 炉顶煤气循环氧气高炉的数值计算包括高炉一维 气固换热与反应动力学模型求解、氧气鼓风条件下的 煤粉燃烧和炉顶煤气脱除以及加热过程能质平衡 计算． ( 1) 高炉一维模型． 一维模型的空间离散采用交 错网格，将温度、组分和压力等在正常的网格节点上存 储和计算，将速度放在错位后的网格上存储和计算． 由于该模型只考虑了轴向一维过程，忽略了气固流动 和传热过程的扩散项，导致贝克列数很大，因此方程离 散采用一阶迎风的差分格式． 为了解决炉内气固两相 逆向流动问题，模型采用全场迭代． ( 2) 风口燃烧． 基于风口回旋区的质量守恒和能 量守恒，并根据风口处所喷入的氧气鼓风、煤粉、循环 煤气等条件计算出反应后的一次煤气流量、成分、温 度、焦炭反应量等参数． 其中考虑的化学反应有 C 的 不完全燃烧、C 的水煤气反应以及 C 的溶损反应． ( 3) 炉外煤气平衡． 炉外煤气平衡是基于炉外煤 气物料、能量守恒和氧气高炉系统氮守恒进行计算，可 以获取加热循环煤气所需热量、剩余炉顶煤气的外供 量、循环煤气的流量和成分; N2通过加热炉内的炉顶煤 气燃烧过程排出，避免 N2在氧气高炉内积累． 炉顶煤气循环氧气高炉模型的计算流程如图 2 所 示． 基于矿比、焦比以及原料成分来确定固相的流量、 组分和温度，并作为高炉一维模型炉顶处的固相入口 条件; 经风口燃烧计算所得的一次煤气的流量、组分和 温度作为高炉一维模型下排风口处的气相入口条件; 经炉外煤气平衡计算所得循环煤气的流量、组分和温 度作为高炉一维模型上排风口和风口回旋区燃烧计算 的气相入口条件; 高炉一维模型的炉底处固相出口条 件和炉顶处气相出口条件都设为完全发展条件． 图 2 模型的计算流程 Fig． 2 Flow chart of calculation in the simulation model 1. 6 高炉一维模型验证分析 炉顶煤气循环氧气高炉处于研发论证阶段，在国 · 205 ·