张仕洋等：氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 641 (2)气体燃烧模型.挥发分含有C、H、0、N等元 后，固定碳开始进行氧化和气化反应.本文采用多表 素，其成分较复杂，它们通常被简化为几种燃料气体的 面反应模型网，固定碳表面发生的反应如下： 混合物.不同的研究中，挥发分组分的处理方式 C(s)+0.502=C0, 不同.本文中，将煤粉挥发分脱除过程中产生的VM C(s)+H,0=H2+C0, 和VM,简单地看成单一物质，也就是VM,和VM,在成 C(s)+C0,=2C0. 分上是相同的（统一用分子式C,H,0N。表示），在数 对于表面反应“颗粒组分j(s)+气相组分n(g)一→产 量上却是不相同的.Shen等国的模拟计算结果表明这 物”，组分j的消耗速率 种假设得到的结果与实验结果能很好地吻合，挥发分 R=ApnY R (4) 的燃烧分两步进行，其反应式为： 其中 VM +a02=bCO+cH2O+dN2; C0+0.50,=C0, R=R(P.-是)广 未知的化学计量数的值由煤粉的工业分析和元素分析 D。=C- [Tn+T.）2]a5 计算得出. dp 循环煤气中的C0和H,与氧气接触后也会发生 燃烧，描述C0、H,、挥发分等气体的快速燃烧反应，本 R=ARe即(-品) 文采用有限速率/涡流耗散模型四.反应r中物质i 2 模拟条件 的产生速率R,可表示为 本文物理模型（二维）的建立基于初步设计的120 R,=min(R,R）. (3) m氧气高炉（其工艺流程如图1所示）的设计参数，具 其中，R=M4p会min（y.,Mk),R,=. 体数值如表3所示.其中，与循环煤气和氧气相关的 各参数的计算采用韩毅华等圆建立的高炉多区域约 MA是（∑，∑gM 束数学模型.表4为基本工况条件下的循环煤气和氧 (3)固定碳表面反应模型.挥发分全部析出之 气的温度及体积分数.表5显示的是与喷煤有关的参数 C044.88%:H,9.74:N,10.63C0,30.98%:H,05.77% 铁矿1660kg1 1498m.r1 焦炭220kgr 除尘 93m3,11 炉尘20.83kgr )加压 189m3+ 900℃ 加热 461m3,1 C064.32%:H,14.62% N,1594%:C0,4.50% 煤粉200k这 900℃ H,00.62%: 03258m2r 350m2. 铁水1000kg 炉渣332kg 图1炉顶煤气循环-氧气鼓风高炉炼铁工艺流程图 Fig.1 Flow chart of the ironmaking process with a top gas reeyeling-xygen blast fumace 表3120m3氧气高炉的设计参数 Table 3 Design parameters of the oxygen blast furnace with the volume of 120 m3 风压/MPa 风口数量 循环煤气流量/(m3h1)氧气流量/(m3h1) 风口直径/mm 煤粉流量/(kgh1) 0.2 1531.25 1130.89 90 875 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. 表4循环煤气与氧气的温度及体积分数 Table 4 Temperature and volume fraction of circulation gas and oxygen 循环煤气 氧气 T/K C0/% H2/% N2/% C021% H,0/% T/K 021% N2/% 1173 64.32 14.62 15.94 4.50 0.62 298 90 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张仕洋等: 氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟 ( 2) 气体燃烧模型． 挥发分含有 C、H、O、N 等元 素，其成分较复杂，它们通常被简化为几种燃料气体的 混合物． 不同的研究中，挥发分组分的处理方式［8 － 10］ 不同． 本文中，将煤粉挥发分脱除过程中产生的 VM1 和 VM2 简单地看成单一物质，也就是 VM1和 VM2 在成 分上是相同的( 统一用分子式 CxHyOzNw 表示) ，在数 量上却是不相同的． Shen 等［3］的模拟计算结果表明这 种假设得到的结果与实验结果能很好地吻合． 挥发分 的燃烧分两步进行，其反应式为: VM + aO2 bCO + cH2O + dN2 ; CO + 0. 5O2 CO2 ． 未知的化学计量数的值由煤粉的工业分析和元素分析 计算得出． 循环煤气中的 CO 和 H2 与氧气接触后也会发生 燃烧，描述 CO、H2、挥发分等气体的快速燃烧反应，本 文采用有限速率/涡流耗散模型［11］． 反应 r 中物质 i 的产生速率 Ｒi，r可表示为 Ｒi，r = min( Ｒi，r1 ，Ｒi，r2 ) ． ( 3) 其中，Ｒi，r1 = ν' i，r Mw，i Aρ ε k minＲ ( YＲ /ν' Ｒ，r Mw，Ｒ ) ，Ｒi，r2 = ν' i，r Mw，iABρ ε ( k ∑P YP ∑ N j ν″j，rMw，j ) ． ( 3) 固定碳表面反应模型． 挥发分全部析出之 后，固定碳开始进行氧化和气化反应． 本文采用多表 面反应模型［12］． 固定碳表面发生的反应如下: C( s) + 0 . 5O2 CO， C( s) + H2 O H  2 + CO， C( s) + CO2 2CO． 对于表面反应“颗粒组分 j( s) + 气相组分 n( g) → 产 物”，组分 j 的消耗速率 Ｒj = APηYj Ｒj ． ( 4) 其中 Ｒj = Ｒkin ( Pn － Ｒj D ) 0 N ， D0 = C ［( TP + T∞ ) /2］0. 75 dP ， Ｒkin = ATβ P ( exp － E ＲT ) P ． 2 模拟条件 本文物理模型( 二维) 的建立基于初步设计的 120 m3 氧气高炉( 其工艺流程如图 1 所示) 的设计参数，具 体数值如表 3 所示． 其中，与循环煤气和氧气相关的 各参数的计算采用韩毅华等［13］建立的高炉多区域约 束数学模型． 表 4 为基本工况条件下的循环煤气和氧 气的温度及体积分数． 表5 显示的是与喷煤有关的参数． 图 1 炉顶煤气循环--氧气鼓风高炉炼铁工艺流程图 Fig． 1 Flow chart of the ironmaking process with a top gas recycling--oxygen blast furnace 表 3 120 m3氧气高炉的设计参数 Table 3 Design parameters of the oxygen blast furnace with the volume of 120 m3 风压/MPa 风口数量 循环煤气流量/( m3 ·h － 1 ) 氧气流量/( m3 ·h － 1 ) 风口直径/mm 煤粉流量/( kg·h － 1 ) 0. 2 8 1531. 25 1130. 89 90 875 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． 表 4 循环煤气与氧气的温度及体积分数 Table 4 Temperature and volume fraction of circulation gas and oxygen 循环煤气 氧气 T /K CO /% H2 /% N2 /% CO2 /% H2O /% T /K O2 /% N2 /% 1173 64. 32 14. 62 15. 94 4. 50 0. 62 298 90 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． · 146 ·