碳氫鐵浴還原浸入式側(cè)吹攪拌數(shù)值模擬研究

股份公司煉鐵廠2014年11月6日碳氫鐵浴還原浸入式側(cè)吹攪拌數(shù)值模擬研究前言鐵浴熔池熔融還原:碳可高效廉價使用氫冶金：無碳、來源豐富、熱效率較高、能量密度大、使用清潔、可再生等特點。低碳可持續(xù)：鐵浴熔池+氫冶金兩者結(jié)合是解決煉鐵生產(chǎn)環(huán)境和能源問題的技術(shù)發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的主要手段。浸入式側(cè)槍的攪拌對熔池攪拌混勻起主要作用。本文數(shù)值模擬了側(cè)吹流量和側(cè)槍層數(shù)對熔池的攪拌效果，期望為碳氫終還原爐的設(shè)計和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。碳氫熔融還原工藝及終還原爐示意圖雙排側(cè)槍幾何模型物理模型1模型假設(shè)條件和控制方程：選擇VOF多相流模型：動量方程：容積比率方程標準k-ε模型方程模型假設(shè)和初邊界條件如下（1）模型壁面無滑移，無穿透邊界；（2）不考慮化學(xué)反應(yīng)；（3）不考慮溫度場變化；（4）流體為不可壓縮粘性流體（5）自然初始條件計算方案及方法模擬采用PISO算法進行非穩(wěn)態(tài)計算，時間步長為10-5s，計算時間10秒。模擬渣鐵和爐氣計算所選用的物性參數(shù)如表1所示。

表1計算用物性參數(shù)計算域組成相密度(kg/m3)粘度(pa*s)水（模擬鐵）998.21.003*10-3油(15℃)（模擬渣）868.51.4*10-3空氣（模擬爐氣）1.2251.7894*10-5計算方案單層噴槍計算方案槍位(mm)流量(L/min)4546、6.5、7.5

雙層噴槍計算方案槍位(mm)流量(L/min)454（上排槍）372（下排槍）6、6.5、7.5模擬結(jié)果及討論圖3氣相中油相百分含量圖

圖4水相中油相百分含量圖6L/min6.5L/min7.5L/min圖5第10s時刻不同流量下的密度圖單排槍不同流量下的混勻時間對比圖從圖中可以看出，隨著側(cè)吹流量的加大，混勻時間變小，混合越均勻。這與數(shù)值模擬的結(jié)論一致，從而，試驗驗證了多相流數(shù)模在本文還原器攪拌分析中的有效性。不同流量下的水?；靹驎r間結(jié)論在實際的熔融還原爐中，頂部空間二次燃燒的熱量通過噴濺的渣滴傳遞到底部熔池中，因此，熔池頂部噴濺的渣滴越多（油在氣中的含量增加）或氣體在油相中的含量增大，以致氣油界面的波動加劇，越有利于熔池的傳熱和提供良好的動力學(xué)條件，由此可見，數(shù)值模擬的結(jié)果表明：熔池氣流量越大，對熔池的攪拌越好。而流量與攪拌強度間的定量關(guān)系則可由流量與密度變化的計算確定

雙層噴槍對熔池攪拌效果的影響

壁面密度數(shù)值模擬圖數(shù)值模擬結(jié)果（壁面密度）（第1s時刻，流量為7.5L/min）單排槍雙排槍壁面模擬結(jié)論圖7是第1s時刻，單排槍和雙排槍流量為7.5L/min下得到的壁面密度數(shù)值模擬圖。從圖中可以看出，熔池在雙排側(cè)槍噴吹下的水油界面波動更加明顯，對油相的攪拌更加劇烈。

單排槍和雙排槍俯視密度圖和水模對比單排槍和雙排槍俯視密度圖和水模對比結(jié)論圖8和圖9也同樣表明，相同噴吹量和噴吹時刻下，雙排槍噴濺更為劇烈，且水模擬結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，進一步驗證了多相流數(shù)模在本文還原器攪拌分析中的有效性研究結(jié)論（1）VOF多相流模型適于碳氫鐵浴還原浸入式側(cè)吹攪拌流動數(shù)值模擬研究（2）側(cè)吹流量越大，對熔池的攪拌越好。（3）雙層側(cè)槍的浸入式側(cè)吹比單層側(cè)槍浸入式側(cè)吹對熔池的攪拌更加劇烈，熔池混勻時間