·818 北京科技大学学报 第36卷 氧气高炉工艺主要特点之一就是炉顶煤气脱除 仪和模型本体构成.模型本体由有机玻璃构成， C0,后从炉身喷吹到高炉内.炉顶煤气的循环利用 模型厚30mm,采用绿豆作为填充介质.由于高 有利于提高高炉间接还原和碳氢利用，减少C02排 炉的径向对称性此模型模拟了一半高炉的情况， 放四.因此，循环煤气在高炉炉身喷吹之后的气 其尺寸大小为计划建设的120m3氧气高炉的1/ 流分布对于提高炉身煤气利用率和高炉生产率非常 20,模型几何结构参数如表1所示.根据氧气高 重要 炉工艺要求，分别在炉身和炉缸设置风口.为了 目前为止，炉身喷吹煤气工艺的研究主要集中 考察炉身辅助风口位置对煤气流渗透性以及分 于数值模拟—高炉多相流模型的二维数值模 布的影响，在炉身部位设置五个不同位置的辅助 拟国或DEM-CFD耦合的三维数值模拟4-均，很 风口A~E,其中B~E风口仅为测试辅助风口位 少有人通过冷态物理模型对煤气在炉身喷吹后的炉 置的影响，其他实验均以A风口为参考.炉身表 内分布进行实验研究.此外，对炉身煤气喷吹后 面开有九排取样孔进行测量，分别为五个炉身辅 在炉内分布的影响因素以及这些因素影响规律的研 助风口中心线，及距离A风口以上h=50,76, 究也较少.本文通过二维冷态物理模型实验对氧气 127,199mm,其中A风口中心线取样孔也表示 高炉炉身内部气流分布的情况进行了实验研究，从 为h=0mm. 而为氧气高炉炉身喷吹循环煤气工艺开发提供理论 使用气体分析仪检测取样孔位置的C0,浓度， 依据。 炉缸风口处安装一个不锈钢过滤网，防止绿豆颗粒 堵住风口，并设置成风口回旋区的形状.炉缸风口 1实验 只喷吹N2,由于炉身喷吹的煤气和刚进入炉身的上 1.1实验装置 升煤气之间不发生反应并且两者之间的密度相差不 图1为二维冷态物理模型实验系统示意图. 大，所以炉身辅助风口鼓入N2:C02体积比为1：1的 整个模拟系统是由气源、电子流量计、气体分析 混合气体 表1模型结构尺寸参数 Table 1 Size parameters of the model structure 炉缸直径/mm 风口高度/mm 炉腹高/mm 炉腰高/mm 炉身角/() 炉缸高度/mm 160 136 119 40 84.5 161 炉腹角/() 炉腰直径/mm 炉身高/mm 炉喉直径/mm 辅助风口直径/mm 辅助风口数量 80.5 200 250 151 2~4 1 高炉中心 气体分析仪与取样点测量C0,浓度，在取样过程中 气体出口 每次只连接一个取样点，其他取样点密封 H- 护身气体喷吹进巴Q9一 本文主要研究了不同因素对喷吹煤气在炉身分 品 布的影响，主要影响因素包括炉身煤气总量、炉身喷 电子流量计 吹煤气量与炉身总煤气量之比、辅助风口直径以及 混气室 QO 辅助风口喷吹位置.模型风口的气体流量可以通过 压力阀 弗劳德数进行推导： “自制回旋区” (1) 气体 分析仪 炉缸喷吹进口 式中，0为气体流量，1为风口直径，g为重力加 速度. 图1实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus 同时，根据相似原理，可得到模型炉身和炉缸所 需要的气体流量，如式(2)~(5)所示： 1.2实验方法 V./60 实验开始时，炉身辅助风口鼓入N2:C02体积比 10。=- (2) 1 为1：1的混合气体，炉缸的风口鼓入N2,并且所有风 n4 d 口的气流速度保持恒定.实验开始10min后，连接 Frm=Fr。, (3)北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 氧气高炉工艺主要特点之一就是炉顶煤气脱除 CO2后从炉身喷吹到高炉内． 炉顶煤气的循环利用 有利于提高高炉间接还原和碳氢利用，减少 CO2排 放［9 － 12］． 因此，循环煤气在高炉炉身喷吹之后的气 流分布对于提高炉身煤气利用率和高炉生产率非常 重要． 目前为止，炉身喷吹煤气工艺的研究主要集中 于数 值 模 拟———高炉多相流模型的二维数值模 拟［13］或 DEM--CFD 耦合的三维数值模拟［14 － 15］，很 少有人通过冷态物理模型对煤气在炉身喷吹后的炉 内分布进行实验研究［16］． 此外，对炉身煤气喷吹后 在炉内分布的影响因素以及这些因素影响规律的研 究也较少． 本文通过二维冷态物理模型实验对氧气 高炉炉身内部气流分布的情况进行了实验研究，从 而为氧气高炉炉身喷吹循环煤气工艺开发提供理论 依据． 1 实验 1. 1 实验装置 图 1 为二维冷态物理模型实验系统示意图． 整个模拟系统是由气源、电子流量计、气体分析 仪和模型本体构成． 模型本体由有机玻璃构成， 模型厚 30 mm，采用绿豆作为填充介质． 由 于 高 炉的径向对称性此模型模拟了一半高炉的情况， 其尺寸大小为计划建设的 120 m3 氧气高炉的 1 / 20，模型几何结构参数如表 1 所示． 根据氧气高 炉工艺要求，分别在炉身和炉缸设置风口． 为了 考察炉身辅助风口位置对煤气流渗透性以及 分 布的影响，在炉身部位设置五个不同位置的辅助 风口 A ～ E，其中 B ～ E 风口仅为测试辅助风口位 置的影响，其他实验均以 A 风口为参考． 炉身表 面开有九排取样孔进行测量，分别为五个炉身辅 助风口中 心 线，及 距 离 A 风 口 以 上 h = 50，76， 127，199 mm，其中 A 风口中心线取样孔也表示 为 h = 0 mm． 使用气体分析仪检测取样孔位置的 CO2浓度， 炉缸风口处安装一个不锈钢过滤网，防止绿豆颗粒 堵住风口，并设置成风口回旋区的形状． 炉缸风口 只喷吹 N2，由于炉身喷吹的煤气和刚进入炉身的上 升煤气之间不发生反应并且两者之间的密度相差不 大，所以炉身辅助风口鼓入 N2 ∶ CO2体积比为 1∶ 1的 混合气体． 表 1 模型结构尺寸参数 Table 1 Size parameters of the model structure 炉缸直径/mm 风口高度/mm 炉腹高/mm 炉腰高/mm 炉身角/( °) 炉缸高度/mm 160 136 119 40 84. 5 161 炉腹角/( °) 炉腰直径/mm 炉身高/mm 炉喉直径/mm 辅助风口直径/mm 辅助风口数量 80. 5 200 250 151 2 ～ 4 1 图 1 实验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the experimental apparatus 1. 2 实验方法 实验开始时，炉身辅助风口鼓入 N2 ∶ CO2体积比 为 1∶ 1的混合气体，炉缸的风口鼓入 N2，并且所有风 口的气流速度保持恒定． 实验开始 10 min 后，连接 气体分析仪与取样点测量 CO2浓度，在取样过程中 每次只连接一个取样点，其他取样点密封． 本文主要研究了不同因素对喷吹煤气在炉身分 布的影响，主要影响因素包括炉身煤气总量、炉身喷 吹煤气量与炉身总煤气量之比、辅助风口直径以及 辅助风口喷吹位置． 模型风口的气体流量可以通过 弗劳德数进行推导: Fr = w2 gl ． ( 1) 式中，w 为 气 体 流 量，l 为 风 口 直 径，g 为 重 力 加 速度． 同时，根据相似原理，可得到模型炉身和炉缸所 需要的气体流量，如式( 2) ～ ( 5) 所示: wo = Vo /60 n 1 4 πd2 o ， ( 2) Frm = Fro， ( 3) ·818·