煤粉与含铁除尘灰高炉混合喷吹的数值模拟

朱朋选， 高强健， 肖旭杭， 郑海燕， 姜 鑫， 沈峰满

（东北大学 冶金学院， 沈阳 110819）

在钢铁生产过程中，会产生含铁除尘灰（ironbearing dust， IBD），其中富含可回收利用的Fe 和C 等元素.近年来，钢铁企业的除尘灰产生总量约占钢产量的10%［1］，其对环境的影响极其严重.最简单的除尘灰处理方法是烧结法，即将除尘灰和铁矿粉混合后进行烧结生产［2-4］.但是除尘灰的粒度较小且成分不稳定，它的添加会影响到烧结矿料层的透气性，造成烧结利用系数降低，进而影响烧结矿的质量［5］.

高炉喷煤具有工艺流程简单、生产效率高、经济指标好等优点［6-8］，若将除尘灰以粉体形式喷进高炉可大大降低其处理难度.有研究表明［9］，适量添加除尘灰会加快煤粉的燃烧速率，这是因为除尘灰中的铁氧化物促进了煤粉的碳氧反应，对煤粉燃烧起到催化作用.而这种作用远大于风口温度降低造成未燃煤粉堆积所带来的不利影响，故适量添加除尘灰还可使炉料的透气性不宜恶化.综上所述，除尘灰和煤粉高炉混合喷吹后，不仅可以回收除尘灰，实现固废再利用，还可为高炉补充铁源和碳源.

本文中拟采用数学模拟方法建立煤粉与除尘灰混合喷吹的模型；着重考虑煤粉和除尘灰混合喷吹的物理化学过程，尤其是高风温条件下喷吹除尘灰对煤粉燃烧特性的影响及高炉下部燃烧过程的变化；分析混合喷吹后煤粉在高炉内燃烧过程中风口回旋区温度分布、煤气成分，以及煤粉燃尽率的变化；探究除尘灰喷吹量对煤粉燃尽率及高炉风口回旋区最高温度的影响，并给出煤气成分的变化趋势.该研究结果以期为高炉炼铁过程煤粉与除尘灰的混合喷吹提供一定技术参考，为含铁除尘灰的再利用提供新思路.

1 数学模拟

高炉喷煤属于气固两相流态化过程，其运动过程和燃烧反应非常迅速和复杂，因此通过实验研究揭示高炉喷煤黑箱过程的难度巨大.为了更好地揭示相关物理化学过程的变化规律，可采用数学模拟方法为冶金过程的黑箱操作问题提供解决方案，本研究中涉及到的数学模型如下所示.

1.1 气相模型

由于高炉内流场复杂且气相连续，主要的流动形式为湍流，故采用标准k-ε模型描述气相流动.在流体运动过程中，气体遵循质量、动量和能量守恒方程.

质量守恒方程：

式中：ρ为流体密度；u，v为x，y运动方向矢量的分量；t为时间.

动量守恒方程：

式中：τyx，τxy分别为作用在流体表面x，y方向的黏性分量；Fx，Fy为流体微元体x，y方向的分量体力；ρ为空气密度.

能量守恒方程：

流体内能i、势能p与动能k之和定义为流体的总能量E.根据内能i与温度T的关系，可得

式中：u为流体传热系数；cp为流体比热容；kt为流体动能；St为黏性耗散项.

1.2 颗粒模型

高炉喷煤过程是典型的气固两相流运动.在流动过程中，将固体颗粒看作离散相，它同样遵循质量、动量和能量守恒方程.

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：mp为颗粒的质量；Cp为颗粒比热；Tg为气相温度；Tp为颗粒温度；Nu为努塞尔数；Hreac为反应热；Ap为颗粒反应面积；I为辐射强度；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数.

1.3 燃烧模型

采用双反应竞争模型来描述挥发分析出过程.不同温度下模型相应的热解反应如下所示.

挥发分生成速率：

式中：mVM为煤粉中挥发分的质量；k1为低温条件下脱挥发分的速率值；k2为高温条件下脱挥发分的速率值；m0为煤粉去除灰分的质量；a1，a2为化学反应当量系数，a1，a2分别取3.7×105，1.46×1013s-1.

当挥发分析出后，挥发分与空气中的氧气进行反应，反应类型为涡耗散模型，具体的反应式如下所示：

经热解后，煤粉的挥发分会析出，因此固定碳颗粒采用动力／扩散-限制速率模型来描述.

式中：mh为固定碳颗粒重量变化率；dp为固定碳颗粒直径；ρ为颗粒密度；Yss为固定碳周围气氛中氧化剂的质量分数.

固定碳颗粒与CO2，H2O 的反应式如下所示：

1.4 辐射模型

考虑到气固两相的辐射换热，本模拟中采用P1 辐射模型，使颗粒辐射产生的热源包含在能量方程中，如式（19）所示.

式中：qr为辐射通量；Ep为粒子的等效辐射；ap为粒子的等效吸收系数；n为介质折射率；a为吸收系数；G为入射辐射；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数.

1.5 焦炭床模型

考虑到焦炭对回旋区煤粉-除尘灰燃烧的影响，将焦炭作为多孔介质.其动量源项如下所示：

式中：γ为空隙率（对于空腔，γ＝1）.

根据Ergun 方程，焦炭床的动量源项为

式中：P为动量源项；U为平均气体流速.

在高炉的实际运行过程中存在着能量损耗，如FeO，Fe2O3与焦炭反应、炉膛散热等，这些均会降低焦炭区域的温度.为降低它们的影响，引入焦炭热量耗散公式：

式中：ACoke为焦炭表面积；Hg为气体与焦炭表面对流换热系数.

高炉内焦炭主要参与燃烧反应和熔损反应，如式（23）～（24）所示.

假定焦炭颗粒为球型，直径为30 mm，焦炭的反应速率根据Field 模型来确定.

式中：xi为反应气体组分i的摩尔分数，式（23）中i指O2，式（24）中i指CO2；Dref为动态扩散系数；rcoke为焦炭半径；P为压强；PA为大气压强；Tref为参考温度，取293 K；Tg为气体温度；Ac为指前因子；E为活化能.

1.6 回旋区形状预测

根据昆钢2 000 m3高炉的生产经验［10］，操作参数与回旋区尺寸的关系如下所示：

式中：D为回旋区深度；H为回旋区高度；E为鼓风动能；M为喷煤比；n为高炉风口数；V为鼓风速度；Dpc为焦炭的平均直径.

1.7 几何模型建立

本研究中对Shen 等［11］建立的喷煤系统几何模型进行改进，焦炭层采用多孔介质模型［12］，孔隙率设为0.4，焦炭层的黏性助力系数和惯性助力系数采用式（21）进行计算.模型本体上宽2.7 m，下宽2.5 m，高3.2 m；直吹管直径0.2 m，长0.8 m，与本体夹角为8°.图1 为该模拟的几何网格划分.

图1 几何网格划分Fig.1 Geometric mesh division

1.8 模拟参数

本研究中模拟参数是基于某典型高炉的实际生产参数，具体如表1 和2 所列.

表1 煤粉粒径分布Table 1 Particle size distribution of pulverized coal

表2 模拟计算参数Table 2 Simulation calculation parameters

2 研究方案

2.1 实验方案

利用某典型高炉的实际喷吹参数，探究不同除尘灰喷吹量对于高炉内温度、煤气流分布、煤粉燃尽率的影响.表3 列出了不同除尘灰喷吹量情况下，混合粉体（煤粉与除尘灰）的灰分、挥发份及固定碳的质量分数变化情况.

表3 不同除尘灰喷吹量试样的工业分析（质量分数）Table 3 Industrial analysis of samples with different IBD proportions（mass fraction） %

钢铁生产过程中所产生的除尘灰主要包括烧结除尘灰、高炉除尘灰、转炉除尘灰及电炉除尘灰.本模拟中使用的是某企业典型的高炉除尘灰，该除尘灰中铁氧化物含量高、碱金属含量较低，适合用于高炉喷吹，具体化学成分如表4 所列.

表4 除尘灰的化学成分（质量分数）Table 4 Chemical composition of IBD （mass fraction）%

2.2 模型验证

采用煤粉燃烧实验来验证模型的准确性，使用的设备为立式煤粉燃烧炉.实验装置如图2 所示：煤粉立式燃烧炉的发热体为硅碳棒，炉管为高铝管；炉底燃烧产物使用未燃烧煤粉收集器雾化装置进行收集.根据模拟喷煤条件，设定煤比为140 kg／t，粉气比为0.5 g／L，温度为1 473 K.

图2 喷煤设备及煤枪示意图Fig.2 Coal injection equipment and coal lance diagram

燃尽率的测定采用灰分平衡法实现，具体见文献［13］.由实验结果与模拟结果对比可知：当未喷入除尘灰时，燃尽率的模拟值为70.50%，实验值为68.64%；当除尘灰喷吹量为6%时，燃尽率的模拟值为67.80%，实验值为66.33%.燃尽率的实验值与模拟值基本一致，经计算相对误差仅为2.40%.这说明两者契合度较高，确保了该数学模型的准确性.

3 结果分析

3.1 除尘灰喷吹量对炉内温度分布的影响

在高炉煤粉与除尘灰混合喷吹的过程中，除尘灰喷吹量对炉内温度分布的影响如图3 所示.由图3 可知，随着除尘灰喷吹量由0 增至10%，高炉内温度发生明显的变化，高温区呈缩小趋势.这是因为除尘灰的固定碳质量分数较低、灰分物质较多，当煤粉与除尘灰混合时，混合粉体中综合灰分增多，固定碳和挥发分的质量分数减少，使得发热量降低，进而引起炉内的最高温度降低.当未喷入除尘灰时，回旋区最高温度为2 519 K.而当除尘灰喷吹量为10%时，高炉最高温度仅为2 389 K.通过计算可得，除尘灰喷吹量每增加1%，炉内最高温度平均降低13K.通常要求高炉炼铁理论燃烧温度不低于2 200 ℃（2 473 K）［14］，考虑到高炉冶炼的实际情况，故除尘灰的喷吹量不宜超过4%.

图3 除尘灰喷吹量对炉内温度的影响Fig.3 Influence of ash injection amount on temperature in furnace

3.2 除尘灰喷吹量对炉内CO 分布的影响

在高炉煤粉与除尘灰混合喷吹的过程中，除尘灰喷吹量对炉内CO 分布的影响如图4 所示.由图4 可知：当除尘灰喷吹量由0 增至10%时，炉内CO 质量分数开始逐渐降低.这主要是因为随着除尘灰喷吹量的增加，混合粉体中固定碳的质量分数相对减少，而碳元素减少就会引起炉内CO 质量分数的降低.混合粉体中每增加一定比例的除尘灰，固定碳和挥发分的质量分数就会减少，进而导致高炉的温度降低，这结果与图4 中的温度分布相一致.此外，由于碳的溶损反应为吸热反应，炉内温度降低会不利于溶损反应的正向进行，同样能造成炉内CO 质量分数的降低.

图4 除尘灰喷吹量对炉内CO 分布的影响Fig.4 Influence of ash injection amount on CO distribution in furnace

3.3 除尘灰喷吹量对炉内CO2 分布的影响

在高炉煤粉与除尘灰混合喷吹过程中，除尘灰喷吹量对炉内CO2分布的影响如图5 所示.由图5 可知，沿水平方向，CO2质量分数呈先增加后减少的趋势.这是由于沿着水平方向，O2质量分数逐渐减低，在距离风口2 m 处消耗殆尽，所以在距离风口2 m 处后CO2质量分数也逐渐降低.随着除尘灰喷吹量的增加，混合粉体中固定碳含量减少，这也使得炉内CO2质量分数呈下降趋势.

图5 除尘灰喷吹量对炉内CO2 分布的影响Fig.5 Influence of ash injection amount on CO2 distribution in furnace

3.4 除尘灰喷吹量对煤粉燃尽率的影响

为了评价喷入粉体的燃烧特性，通常使用燃尽率来表征燃烧效率.燃尽率是根据灰分平衡法来定义的，其表达式如下所示：

式中：ma，0为初始灰分质量分数；ma为某时刻灰分质量分数.

通过计算可以得出，随着除尘灰喷吹量的增加，混合粉体的燃尽率逐渐下降.这是因为除尘灰的喷入使得混合粉体中灰分增多，而有效碳含量降低.当除尘灰喷吹量为0，2%，4%，6%，8%，10%时，混合粉体的燃尽率分别为70.5%，69.1%，67.8%，66.1%，64.9%，63.1%.利用上述模型计算，在本研究条件下，每增加1%的除尘灰喷吹量，燃尽率就下降0.74%.而在高炉喷煤工艺中，通常要求煤粉的燃尽率应不低于65%［14］，否则会造成未燃煤粉的堆积，影响高炉的透气性.因此，从煤粉燃尽特性的角度分析，除尘灰喷吹量不宜超过6%.

3.5 混合粉体成分对燃尽率的影响

此外，本模型中也计算了混合粉体中灰分和挥发分的质量分数对煤粉燃尽率的影响，具体结果如图6 所示.由图6 可知：混合粉体的燃尽率随灰分质量分数的增大而降低，但随着挥发分质量分数的增大而升高.这是由于除尘灰中灰分物质较多，同时也阐明了除尘灰的增加引起燃尽率逐渐下降的原因.

图6 混合粉体中组分对燃尽率的影响Fig.6 Influence of components on burnout rate of mixed powder

4 结 论

（1）随着除尘灰喷吹量的增加，炉内最高燃烧温度降低.在鼓风富氧率为3%、风温为1 473 K的条件下，当除尘灰喷吹量由0 增至10%时，炉内最高燃烧温度由2 519 K降至2 389 K.除尘灰喷吹量的比例每增大1%，炉内最高燃烧温度平均降低13 K.考虑到高炉冶炼实际情况，除尘灰喷吹量不宜超过4%.

（2）CO 质量分数在高炉中心部位达到最大值，而CO2质量分数沿水平方向呈先增加后减少的趋势.在鼓风富氧率为3%、风温为1 473 K的条件下，随着除尘灰喷吹量的由0 增至10%，炉内CO 和CO2质量分数均呈下降的趋势.

（3）在煤尘混合喷吹过程中，随着除尘灰喷吹量的增加，煤粉的燃尽率逐渐下降.在鼓风富氧率为3%、风温为1 473 K的条件下，除尘灰喷吹量每增加1%，燃尽率下降0.74%.因此，考虑到高炉冶炼实际需要，应在满足高炉冶炼煤粉燃尽率的情况下确定除尘灰喷吹量.