张仕洋等：氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 ·639 0 扩散系数： Yn 某一特定的反应物组分的质量分数： E,E,E, 活化能： d 风口直径，m; E 鼓风动能，kgms: 颗粒直径，m; 力 焓，Jkg1: fo 颗粒受到的拖曳力，N; H. 反应热，J小kg: 重力加速度： 辐射强度，Wm2s: 湍动能，m282: Ln 回旋区深度； 反应速率常数： M. 第种物质的是相对分子质量： 颗粒质量的转变速率，kg·s: 表观反应级数： mp 颗粒质量，kg: 压强，Pa: n 风口数目： 大气压力，Pa: ne 单位体积内的颗粒数，m3: B 鼓风压力，Pa: 9 粒子的热流量，W: P. 气相中组分n的分压，Pa: 组分i的扩散系数 号 颗粒表面组分的单位面积反应速率， a1,a2 双反应竞争模型中挥发分产率： kg'm-2.s-; B 温度指数： Ryn 动力学速率： 湍流耗散率，m2s3: T 热风温度，K; ? 颗粒的发射率： f 气体温度，K: 之 有效因子： Tp 颗粒温度，K: 导热系数，W.m-1.K-1: T乡 气体的温度，K: 动力黏度，Pas; C 气体的速度，ms1: L 湍流黏度，Pas; Up 颗粒的速度，ms1: vias 反应r中反应物i的化学计量系数： w 鼓风流量，m3s1: 气体的密度，kgm3; W 组分i的化学反应速率，kgm3s: Py 鼓风密度，kgm3: y 组分i的质量分数： GE 斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.672×10-8 5 颗粒表面组分广的质量分数： W.m-2.K-4: Yp 任一生成物组分的质量分数： 湍流模型常数。 传统高炉炼铁技术在继续提高生产效率、加强能 响，结果表明鼓风含氧量对煤粉燃尽率的影响较其他 量利用等方面的潜力有限，在全球焦煤资源匮乏和环 二者更显著.Jovanovic等以不同氧含量下煤粉的着 境恶化的双重压力下，开发以煤为主要能源的新的炼 火位置为研究对象，采用实验和数值模拟相互验证的 铁工艺逐渐受到关注.以粉煤和纯氧为主要原料的炉 方法，得出了高氧势下煤粉由均匀着火向非均匀着火 顶煤气循环一氧气鼓风高炉炼铁技术是有可能实现规 转变的结论，在此基础上提出了修正的煤粉顺次燃烧 模化应用的煤一氧炼铁新工艺之一.炉顶煤气循环一氧 模型，该模型的模拟结果与实验结果的吻合度很高 气鼓风高炉炼铁技术采用常温氧气代替热风，大量喷 近年来，高炉喷吹技术逐渐多样化.由于气体的点火 吹煤粉，并将高炉煤气脱除CO,后返回高炉利用，其 速度较快，其燃烧放出的热量能够加速煤粉的燃烧，故 具有生产率高、高喷煤量、低焦比、煤气热值较高等优 学者们对气一固喷吹进行了一些探索.Murai等因模拟 越性1-刀 研究了同时喷吹甲烷和煤粉后直吹管内的现象，结果 风口回旋区是高炉生产的热量源泉和煤气发生 表明管内的温度和C0含量与单独喷煤相比均升高. 地，研究其形成和反应情况具有重要意义。作为制约 氧气高炉新工艺通过采用纯氧鼓风和炉顶煤气在 大喷煤的关键因素，回旋区内煤粉的燃烧程度逐渐受 风口的循环喷吹将超高富氧和气一固喷吹结合起来， 到关注.由于物理实验难以模拟煤粉燃烧时高炉内高 煤粉的燃烧条件大大优于传统高炉，而目前针对氧气 温高压封闭的环境，数值模拟的方法应运而生.多年 高炉回旋区下部煤粉燃烧数值模拟方面的研究却很 来，学者们在喷吹煤粉燃烧的数值模拟方面做了大量 少.本文通过适当的几何模型设置，避免了回旋区内 研究.Shen等网基于传统高炉建立了完整的喷煤枪、 流动循环的发生，忽略了焦炭层的影响，重点研究入口 直吹管、风口和回旋区煤粉燃烧的模型，考察了鼓风温 布置方式、氧含量、循环煤气温度、H0和C02含量对 度、鼓风含氧量、喷煤冷却气体种类等对煤粉燃烧的影 煤粉在氧气高炉回旋区下部水平射流区域内燃烧行为张仕洋等: 氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 D0 扩散系数; E，E1，E2 活化能; Eb 鼓风动能，kg·m·s － 1 ; H 焓，J·kg － 1 ; Hreac 反应热，J·kg － 1 ; I 辐射强度，W·m － 2·s － 1 ; LＲ 回旋区深度; Mw，i 第 i 种物质的是相对分子质量; N 表观反应级数; P 压强，Pa; P0 大气压力，Pa; Pb 鼓风压力，Pa; Pn 气相中组分 n 的分压，Pa; Ｒj 颗粒表面组分 j 的单位面积反应速率， kg·m － 2·s － 1 ; Ｒkin 动力学速率; Tb 热风温度，K; Tg 气体温度，K; TP 颗粒温度，K; T∞ 气体的温度，K; U 气体的速度，m·s － 1 ; UP 颗粒的速度，m·s － 1 ; Vb 鼓风流量，m3 ·s － 1 ; Wi 组分 i 的化学反应速率，kg·m － 3·s － 1 ; Yi 组分 i 的质量分数; Yj 颗粒表面组分 j 的质量分数; YP 任一生成物组分的质量分数; YＲ 某一特定的反应物组分的质量分数; db 风口直径，m; dP 颗粒直径，m; fD 颗粒受到的拖曳力，N; g 重力加速度; k 湍动能，m2 ·s － 2 ; k1，k2 反应速率常数; m · 颗粒质量的转变速率，kg·s － 1 ; mP 颗粒质量，kg; n 风口数目; nP 单位体积内的颗粒数，m － 3 ; q 粒子的热流量，W; Γi 组分 i 的扩散系数; α1，α2 双反应竞争模型中挥发分产率; β 温度指数; ε 湍流耗散率，m2 ·s － 3 ; εP 颗粒的发射率; η 有效因子; λ 导热系数，W·m － 1·K － 1 ; μ 动力黏度，Pa·s; μt 湍流黏度，Pa·s; ν' i，r 反应 r 中反应物 i 的化学计量系数; ρ 气体的密度，kg·m － 3 ; ρb 鼓风密度，kg·m － 3 ; σB 斯蒂芬--波尔兹曼常数，5. 672 × 10 － 8 W·m － 2·K － 4 ; σk，σε 湍流模型常数． 传统高炉炼铁技术在继续提高生产效率、加强能 量利用等方面的潜力有限，在全球焦煤资源匮乏和环 境恶化的双重压力下，开发以煤为主要能源的新的炼 铁工艺逐渐受到关注． 以粉煤和纯氧为主要原料的炉 顶煤气循环--氧气鼓风高炉炼铁技术是有可能实现规 模化应用的煤--氧炼铁新工艺之一． 炉顶煤气循环--氧 气鼓风高炉炼铁技术采用常温氧气代替热风，大量喷 吹煤粉，并将高炉煤气脱除 CO2 后返回高炉利用，其 具有生产率高、高喷煤量、低焦比、煤气热值较高等优 越性［1 － 2］． 风口回旋区是高炉生产的热量源泉和煤气发生 地，研究其形成和反应情况具有重要意义． 作为制约 大喷煤的关键因素，回旋区内煤粉的燃烧程度逐渐受 到关注． 由于物理实验难以模拟煤粉燃烧时高炉内高 温高压封闭的环境，数值模拟的方法应运而生． 多年 来，学者们在喷吹煤粉燃烧的数值模拟方面做了大量 研究． Shen 等［3］基于传统高炉建立了完整的喷煤枪、 直吹管、风口和回旋区煤粉燃烧的模型，考察了鼓风温 度、鼓风含氧量、喷煤冷却气体种类等对煤粉燃烧的影 响，结果表明鼓风含氧量对煤粉燃尽率的影响较其他 二者更显著． Jovanovic 等［4］以不同氧含量下煤粉的着 火位置为研究对象，采用实验和数值模拟相互验证的 方法，得出了高氧势下煤粉由均匀着火向非均匀着火 转变的结论，在此基础上提出了修正的煤粉顺次燃烧 模型，该模型的模拟结果与实验结果的吻合度很高． 近年来，高炉喷吹技术逐渐多样化． 由于气体的点火 速度较快，其燃烧放出的热量能够加速煤粉的燃烧，故 学者们对气--固喷吹进行了一些探索． Murai 等［5］模拟 研究了同时喷吹甲烷和煤粉后直吹管内的现象，结果 表明管内的温度和 CO 含量与单独喷煤相比均升高． 氧气高炉新工艺通过采用纯氧鼓风和炉顶煤气在 风口的循环喷吹将超高富氧和气--固喷吹结合起来， 煤粉的燃烧条件大大优于传统高炉，而目前针对氧气 高炉回旋区下部煤粉燃烧数值模拟方面的研究却很 少． 本文通过适当的几何模型设置，避免了回旋区内 流动循环的发生，忽略了焦炭层的影响，重点研究入口 布置方式、氧含量、循环煤气温度、H2O 和 CO2 含量对 煤粉在氧气高炉回旋区下部水平射流区域内燃烧行为 · 936 ·