·642 工程科学学报，第37卷，第5期 表5与喷煤有关的参数 Table 5 Parameters related to coal injection 质量分数（工业分析）/% 质量分数（元素分析）/% 水分 挥发分 灰分 固定碳 H 0 N 3.4 32.6 9.3 54.7 84.7 5.6 7.0 2.7 载气种类 载气温度/K 喷枪直径/mm 载气流量1(m3h)煤粉温度/K 喷枪倾角 N2 360 20 23.33 320 10° 注：循环煤气、氧气鼓风、煤粉和载气的流量均为单个风口的数值 图2为直吹管一风口一回旋区下部区域的几何模 表6模拟参数的取值 型.本文不考虑操作参数的改变对回旋区深度的影 Table 6 Values of simulation parameters 响，回旋区的深度由前苏联学者舒米洛夫等提出的经 参数 取值 验公式4-计算得出： 煤粉粒径Iμm 70 Lg=0.118×10-3E。+0.77. (5) 氧气体积分数% 80%,85%,90% 1 V/4VTP。 2 E=2P (6) 循环煤气温度/K 873,973,1073,1173,1273 gn\wnd273P。 循环煤气中C02体积分数/% 4.5%,9.5% 940 循环煤气中H,0体积分数/% 0.62%,5.62% 注：表格中加下划线的数值为基本工况条件下各变量的取值 场的求解采用SIMPLE算法.残差的选取为：能量和辐 200 射106，组分105，其他104.结合FLUENT软件的后 图2几何模型示意图（单位：mm) 处理功能和Tecplot360对模拟结果进行分析与可 Fig.2 Schematic diagram of the geometric model (unit:mm) 视化. 本研究中，没有大范围的焦炭回旋区域，参照文献 3 模型的验证 B,7],回旋区下部被设计成一个发散角为3°的扩张 管，这种几何模型的设置可以避免流动循环的发生，研 将本文建立的数学模型运用到传统高炉直吹管内 究重点是煤粉在高炉回旋区下部水平射流区域内的流 煤粉的燃烧模拟，考察不同鼓风温度和鼓风含氧量对 动和燃烧行为.因为该区域终点处的煤粉燃尽率将对 燃尽率的影响，并将模拟结果与Du等a在风口前获 回旋区的透气性产生重要影响，进而影响高炉下部煤 得的煤粉燃烧模拟结果进行对比，结果如图3所示. 气流分布.模拟中各参数的取值如表6所示. 由于本文的模拟条件与文献中提及的模拟条件不 本文采用GAMBIT进行几何建模和网格划分，统 尽相同，尤其是在煤粉粒径分布方面差异较大（文献 选用四边形结构化网格.划分完毕的网格文件导入 中煤粉粒径分布为：90μm,5%:63um,25%;45um, 到FLUENT流体计算软件中进行模型的选取和相关参 55%;20μm,15%.本文采用的是均匀分布，粒径为 数的设置.基本控制方程的离散采用有限体积法，流 70um),故模型验证时仅比较两种操作参数对煤粉燃 12 一模拟结果 11.8 6 0 0一文献结果 4.9 5.1 5. 93 8 6 6.2 34 9 2.0 4 4.7 。一摸拟结果 2 0一文献结果 1.9 14201440146014801500 15201540 22 23 24 25 鼓风温度水 鼓风中氧气体积分数% 图3模拟结果与文献结果的比较.()鼓风温度对煤粉燃尽率的影响：(b)鼓风中氧气体积分数对煤粉燃尽率的影响 Fig.3 Comparison of simulation results with literature results:(a)effect of blast temperature on pulverized coal burnout;(b)effect of 0,content on pulverized coal bumout工程科学学报，第 37 卷，第 5 期 表 5 与喷煤有关的参数 Table 5 Parameters related to coal injection 质量分数( 工业分析) /% 质量分数( 元素分析) /% 水分 挥发分 灰分 固定碳 C H O N 3. 4 32. 6 9. 3 54. 7 84. 7 5. 6 7. 0 2. 7 载气种类 载气温度/K 喷枪直径/mm 载气流量/( m3 ·h － 1 ) 煤粉温度/K 喷枪倾角 N2 360 20 23. 33 320 10° 注: 循环煤气、氧气鼓风、煤粉和载气的流量均为单个风口的数值． 图 2 为直吹管—风口—回旋区下部区域的几何模 型． 本文不考虑操作参数的改变对回旋区深度的影 响，回旋区的深度由前苏联学者舒米洛夫等提出的经 验公式［14 － 15］计算得出: LＲ = 0. 118 × 10 － 3Eb + 0. 77． ( 5) Eb = 1 2 ρb Vb ( gn 4Vb πnd2 b TbP0 273P ) b 2 ． ( 6) 图 2 几何模型示意图( 单位: mm) Fig． 2 Schematic diagram of the geometric model ( unit: mm) 图 3 模拟结果与文献结果的比较． ( a) 鼓风温度对煤粉燃尽率的影响; ( b) 鼓风中氧气体积分数对煤粉燃尽率的影响 Fig． 3 Comparison of simulation results with literature results: ( a) effect of blast temperature on pulverized coal burnout; ( b) effect of O2 content on pulverized coal burnout 本研究中，没有大范围的焦炭回旋区域，参照文献 ［3，7］，回旋区下部被设计成一个发散角为 3°的扩张 管，这种几何模型的设置可以避免流动循环的发生，研 究重点是煤粉在高炉回旋区下部水平射流区域内的流 动和燃烧行为． 因为该区域终点处的煤粉燃尽率将对 回旋区的透气性产生重要影响，进而影响高炉下部煤 气流分布． 模拟中各参数的取值如表 6 所示． 本文采用 GAMBIT 进行几何建模和网格划分，统 一选用四边形结构化网格． 划分完毕的网格文件导入 到 FLUENT 流体计算软件中进行模型的选取和相关参 数的设置． 基本控制方程的离散采用有限体积法，流 表 6 模拟参数的取值 Table 6 Values of simulation parameters 参数 取值 煤粉粒径/μm 70 氧气体积分数/% 80% ，85% ，90% 循环煤气温度/K 873，973，1073，1173，1273 循环煤气中 CO2 体积分数/% 4. 5% ，9. 5% 循环煤气中 H2O 体积分数/% 0. 62% ，5. 62% 注: 表格中加下划线的数值为基本工况条件下各变量的取值． 场的求解采用 SIMPLE 算法． 残差的选取为: 能量和辐 射 10 － 6，组分 10 － 5，其他 10 － 4 ． 结合 FLUENT 软件的后 处理 功 能 和 Tecplot360 对模拟结果进行分析与可 视化． 3 模型的验证 将本文建立的数学模型运用到传统高炉直吹管内 煤粉的燃烧模拟，考察不同鼓风温度和鼓风含氧量对 燃尽率的影响，并将模拟结果与 Du 等［16］在风口前获 得的煤粉燃烧模拟结果进行对比，结果如图 3 所示． 由于本文的模拟条件与文献中提及的模拟条件不 尽相同，尤其是在煤粉粒径分布方面差异较大( 文献 中煤粉粒径分布为: 90 μm，5% ; 63 μm，25% ; 45 μm， 55% ; 20 μm，15% ． 本文采用的是均匀分布，粒径为 70 μm) ，故模型验证时仅比较两种操作参数对煤粉燃 · 246 ·