喷吹罐内煤粉流动的模拟研究

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摘 要：该文对喷吹罐内的煤粉流动进行了模拟，探究了罐内的流场分布和煤粉颗粒的速度矢量，模拟结果与工程实际相吻合，对喷吹罐的设计和研发具有指导意义。

关键词：喷吹罐 煤粉流动 模拟

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0076-02

Simulation study of the pulverized coal flow in injection tank

LIN Liangcheng

（CISDI Engineering Co， Ltd. 401122）

Abstract：In this paper，the pulverized coal flow in injection tank is simulated. Distribution of the flow field in the tank and velocity vector of coal are explored. Simulation results are consistent with engineering practices. This work has guiding significance to design and research of the injection tank.

Keywords：injection tank pulverized coal flow simulation

高炉煤粉喷吹技术的应用和进步，促进了我国钢铁工业的大发展，特别是近几年来，煤粉喷吹技术已经从当年的以煤代焦和提供热量，发展成为调剂炉况热制度、改善炉缸工作状态、降低燃料消耗以及节能减排等方面的重要措施[1]。为满足高炉大型化的需求，喷煤工艺各环节应做出相应改进，对煤粉流态化措施等关键技术的研究已经引起重视[2]。

喷煤工艺主要分为制粉和喷吹两部分，喷吹罐是煤粉喷吹系统的关键设备。喷吹罐内的煤粉流动是一种典型的气固两相流动，虽然工程设计人员已经积累了比较丰富的经验，但是对煤粉流动的机理研究却很少，人们对这一过程的认识仍然基于经验积累。本文通过对喷吹罐内煤粉流动进行数值模拟，探索了煤粉的流动特性，对喷吹罐的设计和研究具有一定的指导意义。

1 数学模型

本文基于双流体模型[3]，建立喷吹罐内煤粉流动的数学模型。根据双流体模型的基本假设，建立质量与动量守恒方程。

质量守恒方程：

气相

（1）

颗粒相

（2）

动量守恒方程：

气相

（3）

颗粒相

（4）

气固相的粘性应力张量根据牛顿粘性定律有：

（5）

（6）

气固相间曳力函数采用Gidaspow模型：

， （7）

， （8）

（9）

（10）

2 模型应用

以某炼铁厂2560 m3高炉煤粉喷吹系统喷吹罐为模拟对象，喷吹罐结构如（图1）所示。

应用Fluent 6.3.26计算流体力学软件进行求解。根据现场工艺条件，模拟参数见表1所示。

3 模拟结果与讨论

图2为喷吹罐内煤粉从1 s至5 s的流动形态，流化气体从底部进入时，煤粉开始流化，罐内煤粉的扰动范围逐渐扩大。喷吹罐在运行过程中是在全罐流化以后才开始从弯管输送煤粉，还是底部流化以后就开始输送煤粉，以前一直没有明确的认识，从本文的模拟结果来看，直到第5 s时，尚未实现全罐流化，而从弯管出口处检测到的煤粉质量流量显示，第1s时为160.66 kg/s，然后快速减小，到第4s时减为113.35 kg/s，第5s时又增加为119.78 kg/s。可见，喷吹罐在底部流化以后即开始输送煤粉，输送过程中罐内煤粉继续流化。从计算结果来看，质量流量的初始数值很大，并快速减小，然后再次增大，反映了煤粉输送的脉动现象，与工程实际情况相吻合。

该文对弯管内煤粉流动的速度矢量进行了研究，如图3所示，图中箭头方向表示煤粉运动速度的方向，箭头长度表示煤粉运动速度的大小。模拟结果显示，煤粉在弯管垂直段均匀上升，在拐弯处煤粉紧贴弯头外侧运动，且进入水平段后，在较短的距离内仍然紧贴弯管上部流动，这一现象解释了喷吹罐弯管在弯头外侧容易磨损的原因，模拟结果与实际情况相符。为减缓煤粉对弯头外侧的磨损，建议在设计中将弯管竖直段适当延长，减小煤粉到达弯头处的速度。

4 结语

本文建立了喷吹罐内煤粉流动的数学模型，通过对某炼铁厂喷吹罐的模拟，得到以下主要结论：

（1）喷吹罐内煤粉在全罐流化以前就开始通过弯管输送煤粉，且输送的质量流量具有脉动特征；

（2）煤粉在通过弯管弯头时，紧贴弯头外侧，对弯头的冲击力较大，解释了实际生产中弯头外侧容易磨损的原因。

参考文献

[1] 项钟庸，王筱留.高炉设计―― 炼铁工艺设计理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2] Wu K，Ding R C，Han Q，et al. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at Capital Steel Co[J].ISIJ Int，2010，50（3）：390.

[3] Gidaspow D.Multiphase flow and fluidization[M].San Diego： Academic Press，1994.