COREX预还原竖炉煤气停留时间分布的数值模拟

张丽娟，周 恒，张 涛，游 阳，罗志国，邹宗树

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.宝山钢铁股份有限公司人才开发院，上海 200941)

COREX熔融还原炼铁工艺是奥钢联开发的一种用煤和球团(块矿)生产铁水的非高炉炼铁工艺，具有非焦煤冶炼，环境友好的特点［1，2］.与传统高炉相比，COREX预还原竖炉鼓风条件、布料形式、炉型结构等不尽相同，所以炉内煤气停留时间分布必然呈现出与高炉不同的特征.虽然高炉内煤气流动及停留时间分布研究较多［3～6］，但关于COREX预还原竖炉的研究较少.宝钢引进的COREX－3000预还原竖炉的平均直径由COREX－2000的6.67 m增加至8.2 m，反应器尺寸的加大使炉内煤气流动愈偏离理想流动状态.2#COREX－3000预还原竖炉在原1#竖炉基础上安装了AGD梁，利用炉料下行运动过程中在梁下方自发形成的无炉料煤气通道，将煤气导入竖炉中心.AGD梁的安装进一步改变了煤气的初始分布，直接影响了炉内煤气停留时间分布.因此，有必要对COREX预还原竖炉中煤气停留时间分布进行研究.

本文建立三维、不可压缩、稳态下还原煤气在COREX预还原竖炉内停留时间分布的数学模型，考察AGD梁对炉内RTD曲线的影响，并研究不同熔炼率下COREX预还原竖炉内的RTD变化情况，同时给出不同条件下炉内流动特性参数变化，为指导COREX竖炉实际生产提供理论依据.

1 数学模型建立

1.1 控制方程

COREX预还原竖炉为气－固逆流反应器，相对于气体流速而言，固体炉料的下降速度很小，故可将炉内炉料近似为固定床，并且忽略气－固化学反应对气体流场的影响.描述煤气流动的基本方程包括连续性方程、动量方程、湍流模型及浓度方程.

1.2 边界条件及算法

COREX熔化气化炉产生的还原煤气经冷却、除尘后通过竖炉围管导入炉内，但部分高温煤气通过气化炉穹顶的DRI螺旋下降管反窜进入竖炉，形成反窜煤气.因此，将预还原竖炉的煤气入口设为压力入口，其中围管煤气入口表压为360 kPa，DRI下降管煤气入口表压为365 kPa.竖炉顶部煤气出口为速度出口.COREX预还原竖炉炉型结构及网格划分如图1所示，两者最大区别是围管区AGD梁的安装以及顶部煤气出口的改变.方程求解借助商业软件FLUENT，压力－速度耦合采用SIMPLE算法，控制方程的离散采用一阶迎风模式，收敛标准残差小于10－4.

1.3 RTD曲线分析方法

COREX预还原竖炉内还原煤气的流动模式为偏离活塞流及全混流这两种流动状态的非理想流动状态，其中，1#COREX预还原竖炉顶部煤气出口为单一出口，因此，COREX预还原竖炉RTD曲线分析模型可借鉴中间包中流体流动特性分析方法［7～10］，本文采用经典组合方法.

2#COREX－3000预还原竖炉在1#炉基础上进行了改装，其顶部煤气出口为两个，因此2#COREX预还原竖炉流体流动特性描述方法借鉴多流中间包总体RTD曲线分析方法［11，12］.

2 模拟结果与讨论

2.1 AGD梁对RTD曲线的影响

图1 网格划分示意图Fig.1 Schematic diagram of the grid

图2 1#及2#COREX预还原竖炉停留时间分布密度函数Fig.2 Density of residence time distribution of 1#and 2#COREX shaft furnace

图2为COREX－3000预还原竖炉顶煤气(标准态)单耗1 050 m3/t，熔炼率150 t/h条件下，安装AGD前后，还原煤气停留时间分布密度函数.由图2可知，竖炉内的煤气流型为活塞流、全混流和死区的组合流动，且出现两个示踪剂浓度的峰值，分别为围管煤气和反窜煤气内的示踪剂到达监测面所致.随着AGD梁的安装，第一峰高度增高，分布变窄，第二峰高度降低且分布变宽，曲线整体宽度变宽.

其中，第二峰为竖炉底部下料管反窜煤气在检测面的信息，其主流微元通过流体系统的时间增长.2#COREX预还原竖炉AGD梁的安装能抑制底部下料管煤气反窜比例［13，14］，在顶部煤气流量不变条件下，其底部反窜煤气入口速度将变小;因此，第二峰出峰时间较1#COREX预还原竖炉长.2#COREX预还原竖炉煤气停留时间分布描述方法借鉴多流中间包总体RTD曲线分析方法.由图可知，2#COREX竖炉总体RTD曲线和各出口RTD曲线形态相差较小，主要原因是2#COREX竖炉顶部两煤气出口为对称布置，检测得到的微元停留时间分布相一致.

表1为COREX－3000预还原竖炉加装AGD梁前后炉内流动特征参数.由表可知，竖炉安装AGD梁后其煤气平均停留时间减小，但减小幅度较小.究其原因是，AGD梁的安装使炉内围管煤气比例增大，围管水平煤气平均速度增大，因此第一峰的出峰时间较早.但整体考虑竖炉底部反窜煤气影响，其煤气平均停留时间减小幅度较小.从表还可以看出，随着AGD梁的安装，无量纲方差σ2变大.无量纲方差是用于度量随机变量与均值的偏离程度，它与流型一一对应，在活塞流的情况下，方差最小;而在全混流的情况下，方差最大.因此，COREX预还原竖炉内的煤气流动为非理想流动，且随着AGD梁的安装，无量纲方差变大，与活塞流的偏差越大.主要原因是围管处还原煤气可通过AGD梁下方煤气通道进入竖炉中心，增加了竖炉内煤气的反混现象，从而使流型偏离理想活塞流.2#COREX竖炉各出口表征的炉内流动特征参数与总体方法得出的流动特征参数相差不大，这主要是由于竖炉顶部两煤气出口的对称布置所致.

表1 AGD梁对炉内流动特征参数的影响Table 1 Effect of AGD beams on the flow characteristics parameters in furnace

2.2 顶煤气单耗对RTD的影响

图3为不同熔炼率下COREX预还原竖炉煤气停留时间分布密度函数.图4、图5分别为平均停留时间、无量纲方差随熔炼率的变化图.从图中可以看出随着熔炼率的升高，峰值高度逐渐升高，平均停留时间逐渐降低，无量纲方差逐渐增大.导致上述结果原因有:一是在COREX预还原竖炉内还原煤气主流微元在炉内滞留时间相应减小，所以平均停留时间减小;二是随着熔炼率的升高，煤气入口气量增大，煤气出口的动量增大，炉内煤气的混合程度变大，流型愈偏离理想活塞流，所以无量纲方差逐渐增大.

图6为COREX预还原竖炉内死区体积分数随熔炼率的变化图.死区指的是在此区域内的流体运动得相当慢，结果流体在容器中停留了相当长的时间.为描述不同熔炼率下炉内死区体积分数，本文以150 t/h熔炼率对应的平均停留时间的两倍为基准.由图可知，随着熔炼率的升高，炉内死区体积分数逐渐降低.其中，1#COREX预还原竖炉降低幅度较大，当熔炼率从150 t/h提升到180 t/h时，炉内死区体积分数从10.9%降到3.48%，降幅为68.1%.2#COREX预还原竖炉死区体积分数降幅较小，仅为15.52%.主要原因是由于2#COREX预还原竖炉AGD梁的安装，改变了煤气初始分布，大部分还原煤气通过AGD梁下方通道进入竖炉.增大熔炼率时，导气槽出口还原煤气速度增量较1#COREX预还原竖炉低，因此对竖炉下部死区体积影响较小，COREX竖炉死区体积分数降幅较小.

3 结论

(1)基于中间包流体流动特性经典组合方法分析得到1#COREX预还原竖炉的RTD分布，并借鉴多流中间包总体分析法得到2#COREX预还原竖炉内的流动特性参数.

(2)随着COREX－3000预还原竖炉内AGD梁的安装，炉内煤气平均停留时间变小，停留时间分布密度函数变宽，无量纲方差变大，流型偏离理想活塞流.同时，AGD梁的安装，增大了炉内死区体积分数.

图3 不同熔炼率下停留时间分布密度函数Fig.3 Density of residence time distribution with different melting rate

图4 不同熔炼率下平均停留时间分布Fig.4 Average residence time with different melting rate

(3)随着COREX预还原竖炉熔炼率的增大，煤气平均停留时间减小，无量纲方差变大.当熔炼率从150 t/h增长到180 t/h时，炉内死区体积分数降低，其中1#COREX竖炉降幅为68.1%，2#COREX竖炉降幅仅为15.52%.

图5 不同熔炼率下无量纲方差分布Fig.5 Variance of residence time distribution

图6 不同熔炼率下死区体积分数Fig.6 Volume fraction of dead zone with different melting rate

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