太钢4 350 m3高炉热风炉烟囱及管道气流分布的数值模拟

王兆辉

（山西太钢不锈钢股份有限公司炼铁厂， 山西　太原　030003）

试（实）验研究

太钢4 350 m3高炉热风炉烟囱及管道气流分布的数值模拟

王兆辉

（山西太钢不锈钢股份有限公司炼铁厂， 山西太原030003）

在煤气最大流量为150 000 m3/h的条件下，利用FLUENT前处理软件对太钢4 350 m3高炉热风炉烟囱及部分管路建立中间包三维几何模型并划分网格，采用SIMPLE算法对烟囱及管道气流分布的数值进行模拟计算。由分析模拟结果可知：通入空气后煤气浓度被稀释，煤气管道与空气管道交汇处煤气含量处于理论爆炸煤气浓度范围，存在爆炸可能，煤气和空气的混合气体进入热风炉烟囱后部分区域内煤气浓度达到爆炸浓度范围。

热风炉烟道及烟囱气流分布数值模拟安全性分析火源

炼铁厂高炉及热风炉属高压高危设备，厂内对于热风炉的检查是日常工作的重中之重。太钢4 350 m3高炉于2006年开炉，有4座新日铁式外燃式热风炉，运行至今已有10年之余。针对太钢近些年热风炉事故频发的状况，分析热风炉事故原因，对热风炉烟囱及烟道的气流分布进行数值模拟。

1　计算模型

太钢4 350 m3高炉热风炉烟囱及部分管路三维几何模型如图1所示，热风炉空气管道长70 m，直径5 m，煤气管道长10 m，直径5 m，二者在距热风炉烟囱5 m处交汇，之后汇总进入热风炉烟囱。热风炉烟囱高80 m，顶部内径7 m，底部内径11 m。其中空气阶段性供应，6 min内供应空气2 100 m3，煤气持续供应。已知煤气的爆炸极限范围为40%～70%，问煤气流量在什么范围内能达到爆炸极限。煤气的最大流量为150 000 m3/h。

图1　热风炉烟囱及管道系统

2　计算方法

利用FLUENT前处理软件建立中间包三维几何模型，并划分网格，空气管道网格尺寸为20 cm，煤气管道网格尺寸为15 cm，烟囱网格尺寸为25 cm，体网格总数被控制在100万个左右，网格扭曲度小于0.8。将网格导入FLUENT软件中激活物理模型，设置边界条件。煤气管道入口速度为0.297 m/s，空气管道入口速度为0.297 m/s，烟囱出口压力为1.01×105Pa，煤气密度为1.183 kg/m3，煤气黏度为1.488×10-3Pa·s，空气密度为1.225kg/m3，空气黏度为1.789×10-3Pa·s，扩散系数为2.0×10-5m2/s，重力加速度为9.8 m/s2，方向沿Z轴负向。流场计算采用SIMPLE算法，收敛标准为各控制方程残差小于1.0×10-4，先迭代得到稳态流场，在此基础上采用组分输运模型模拟烟囱管道系统中空气和煤气的扩散。本模拟主要计算在煤气持续供应条件下，空气管道开始供气的360 s内烟囱及其管道系统内的煤气浓度分布状况。

3　计算结果及讨论

模拟得到的烟囱X=0截面（烟囱中心截面）上和Y=0截面（烟囱及空气管道中心截面）上煤气体积分数随时间的变化情况如下页图2和图3所示。

由图2可以看出，在0～360 s内，烟囱X=0截面上煤气最大含量（体积分数）为100%，而最小值在16.8%～100%之间。一般认为，煤气的爆炸极限在40%～70%之间，因此，在0～360 s内烟囱X=0截面上煤气浓度处于爆炸浓度范围。

而由图3可以看出，在0～360 s内，烟囱Y=0截面上煤气最大含量（体积分数）为100%，而最小含量为0～2.6%之间。其CO浓度值（CO体积分数）显然处于爆炸极限在40%～70%之间，因此，在0～360 s内烟囱Y=0截面上煤气浓度分布处于爆炸范围。

图2　不同时刻烟囱X=0截面上煤气浓度分布情况

图3　不同时刻烟囱Y=0截面上煤气浓度分布情况

当供气360 s时，烟囱及其管道系统各中心截面上煤气浓度分布云图如图4—图6所示。

图4　供气360 s时烟囱X=0（烟囱中心截面）截面CO浓度分布

由图4可以看出，供气360 s时烟囱中心截面上的煤气分布特点，该截面上煤气浓度（体积分数）为23%～95%。可见烟囱内该截面上的煤气浓度处于爆炸极限浓度范围。

而由图5可以看出，烟囱和空气管道中心截面上煤气浓度（体积分数）在6%～94%。可见该截面上煤气浓度分布处于爆炸极限范围。

图5　供气360 s时烟囱Y=0截面（烟囱和空气管道中心截面）CO浓度分布

图6　供气360 s时烟囱Z=0截面（煤气和空气管道中心截面）CO浓度分布

进一步由图6可以看出，煤气和空气管道中心截面上煤气的浓度（体积分数）在6%～94%，煤气管道及烟囱内煤气浓度较高，而空气内及空气与煤气管道交汇处附近煤气浓度较低。可见空气管道和煤气管道交汇处煤气浓度处于爆炸极限浓度范围之内。

从图4—图6可以推断，当空气管道内开始供气后，空气管道和煤气管道交汇处的煤气由于受到空气的稀释，其浓度最先达到爆炸极限范围，因此从数值模拟角度讲，在上述工况下，烟囱及管路系统内存在爆炸的可能性。

事实上，虽然这次计算为了探索煤气流量在什么范围内能达到爆炸极限，将煤气的流量调小至与空气流量相同，但是在小流量的情况下管道中CO含量依然处于爆炸极限。结合几何模型可以发现，在这样的供气方式下，在空气和煤气相遇的管道处总是可以达到爆炸极限，因为在两种气体混合处，必然存在着浓度逐渐变化的区域，而这个区域总是处在爆炸极限范围内，因此存在爆炸的可能。

4　结论

1）通入空气后煤气浓度被稀释，煤气管道与空气管道交汇处煤气含量处于理论爆炸煤气浓度范围，存在爆炸可能，煤气和空气的混合气体进入热风炉烟囱后部分区域内煤气浓度达到爆炸浓度范围。

2）从模拟角度讲，该工况下热风炉管道及烟囱内均存在发生爆炸的可能。所以，在热风炉区域，尤其是烟道三岔口位置严禁有火源，必须在该位置安装煤气浓度检测仪。

（编辑：胡玉香）

Numerical Simulation for the Distribution of the Airflow in the Internal Combustion Hot Blast Stove of 4 350 m3Blast Furnace Made in Taigang

WANG Zhaohui
（Ironmaking Plant of Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003）

Under the circumstance of maximum airflow of 150 000 m3/h，the tundish 3D geometric model for 4 350 m3internal combustion hot blast was built by FLUENT pre-processing software，and numerical simulation was built by using SIMPLE.The results show that the gas concentration was diluted after passing into the air，gas pipe and air pipe gas content in the theory of explosion gas concentration was in the range with explosion，gas and air mixture into the hot blast stove chimney after partial area gas concentration reached the explosion concentration range.

airflow in the internal combustion hot blast stove of blast furnace，numerical simulation，safety analysis，combustion source

TF543.2；TB115

A

1672-1152（2016）04-0013-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.05

2016-07-15

王兆辉（1986—），男，现于太钢炼铁厂5号高炉作业区从事炼铁技术管理工作，助理工程师。