高炉直吹管和回旋区煤粉燃烧数学模型

根据高炉喷吹煤粉燃烧特点,对直吹管和风口回旋区分段模拟,以直吹管模拟结果作为回旋区输入.回旋区数学模型在直吹管数学模型的基础上进行修正,为简化计算模型,用附加力修正焦炭回旋运动对气流产生的影响,回旋区焦炭燃烧量和回旋区大小根据经验公式确定.对直吹管和回旋区采用分段模拟,更加接近高炉实际情况,有利于提高数值模拟的准确性.     

高炉风口煤粉及回旋区焦炭燃烧过程数学模型

通过对高炉风口粉煤燃烧及回旋区焦炭燃烧过程中高炉工作环境的探讨,得出数值模拟的方法在喷煤高炉风口煤粉及回旋区焦炭燃烧研究中的必要性,回顾了前人应用数值模拟的实验方法在此方面的研究,总结出了煤粉喷吹过程气-粒两相湍流流动数学模型;煤粉挥发分热解及辐射传热数学模型;回旋区焦炭颗粒燃烧能量方程,最后提出了基于CCD技术的数值模拟边界条件设定的新构想.     

富氧喷煤燃烧过程的三维数值模拟

采用数学模型预测高炉富氧喷吹煤粉的燃烧过程,数学模型包括气相流动,煤粉挥发分的热解和燃烧,残炭的燃烧,辐射传热和固体颗粒相的运动等子模型,模拟结果表明,单筒煤枪和热风混合效果不好,不利于煤粉燃烧,由于直吹管和风口空间小,因而富氧对煤粉燃烧率影响不大;富氧可提高风口端部平均氧含量,有利于煤粉在回旋区内燃烧。     

富氧喷煤燃烧过程的三维数值模拟

采用数学模型预测高炉富氧喷吹煤粉的燃烧过程,数学模型包括气相流动、煤粉挥发分的热解和燃烧、残炭的燃烧、辐射传热和固体颗粒相的运动等子模型．模拟结果表明,单筒煤枪和热风混合效果不好,不利于煤粉燃烧;由于直吹管和风口空间小,因而富氧对煤粉燃烧率影响不大;富氧可提高风口端部平均氧含量,有利于煤粉在回旋区内燃烧．     

氧气高炉新型氧煤燃烧器设计参数对风口区流场影响数值模拟

氧气高炉通过向风口回旋区喷吹煤粉以及脱除CO_2的循环高炉煤气,可有效降低CO_2排放。运用CFD商业软件,建立风口回旋区三维模型,针对氧气高炉所设计的新型燃烧器中氧煤枪数量及其与直吹管所呈角度和空间物理位置对风口回旋区流场的影响进行数值模拟。研究结果表明:采用单支氧煤枪操作,当其位于直吹管上部时,煤气流速度随喷吹角度由7°~15°变化时逐渐减小,且夹角为9°较为适宜,当其位于下部时,随着夹角越大,对风口回旋区深度增加越有利;采用双氧煤枪操作,当其在直吹管上下、左右分布时,夹角分别为11°和13°较合理;当单支氧煤枪位于直吹管上方且夹角为9°、距离d为75 mm时能较好地促进风口回旋区深度增加并保持足够的鼓风动能。     

高炉回旋区燃烧火焰三维温度场重构

建立了煤粉及焦炭燃烧火焰光束在回旋区内部的传输过程模型,提出了基于直吹管窥视孔方向CCD靶面热流分布的辐射传热方程(RTE)的蒙特卡洛(Monte Carlo)求解方法,分析影响回旋区三维温度场重建的辐射传递因子的影响因素.以及回旋区不同焦炭粒子浓度下回旋区的三维温度场重构问题,为实现回旋区工况的在线监测诊断提供了有效手段.     

氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的数值模拟

炉顶煤气循环-氧气鼓风高炉炼铁新技术的工艺特点决定了煤粉在其回旋区内的燃烧条件与传统高炉相比将发生很大变化.本文建立了氧气高炉直吹管—风口—回旋区下部煤粉流动和燃烧的数学模型,研究了入口布置方式、氧含量、循环煤气温度以及H2 O和CO2含量对煤粉燃烧的影响.模拟结果表明：三种引入方式中,假想的循环煤气和氧气混合进入方式明显优于循环煤气和氧气单独进入方式.当氧的体积分数由80%增加到90%,相应的煤粉燃尽率由87.525%提高到93.402%.循环煤气温度对煤粉燃尽率的影响并不显著.循环煤气中H2 O和CO2的体积分数提高5%,风口轴线上气体的最高温度分别降低124 K和113 K.     

基于CCD的高炉风口回旋区三维温度场的检测技术

在存在多介质的高炉回旋区内,首先利用安装在风口直吹管窥视孔的电荷耦合器件( charged couple device, CCD)摄像机可以获得高炉回旋区内累积的二维温度辐射图像,然后将高炉回旋区均分成若干小块,利用数学模型近似模拟回旋区内的辐射传热过程并建立矩阵方程,通过求解方程获得高炉回旋区内的三维温度场。在模拟辐射传热过程中,本文提出了一种更有效也更符合实际生产的新方法———基于距离的高斯函数模型来模拟高炉内介质的辐射能量传播过程并获得了较好的三维温度场。由于存在波动误差以及电荷耦合器件摄像机测量误差等,所以我们通过在测量数据中添加随机误差来验证重构温度场的有效性以及稳定性。结果显示重构的三维温度场与真实温度场非常接近,误差在高炉工业允许的5%范围以内。     

回旋区煤粉燃烧过程与辐射图像的关联性

高炉喷吹煤粉的喷煤枪出口到回旋区中心是煤粉燃烧的关键区域，为建立高炉回旋区煤粉燃烧与辐射图像之间的关联关系，以燃烧过程数值模拟和辐射图像信息与燃烧空间温度分布的关联性为基础，建立了二维辐射图像信息与高炉风口回旋区内三维辐射能的关系。提出将辐射图像信息作为煤粉燃烧过程数值模拟的辐射边界条件，借助燃烧过程数值模拟技术来估计燃烧介质辐射特性参数的非均匀分布，得到了高炉回旋区煤粉燃烧过程数值模拟与辐射图像处理相结合的方法，提出了一种利用二维成像技术测量三维温度场的方法。     

高炉喷吹焦炉煤气风口回旋区的数学模拟

基于质量平衡和热量平衡理论,建立了高炉喷吹焦炉煤气风口回旋区数学模型,系统研究了焦炉煤气喷吹量对回旋区焦炭质量流量、理论燃烧温度、炉腹煤气量、炉腹煤气组成和回旋区形状的影响.研究表明:在维持高炉现有的基准操作不变的条件下,随着焦炉煤气喷吹量的增加,理论燃烧温度呈降低的趋势,而炉腹煤气量呈增加的趋势;为了维持理论燃烧温度和炉腹煤气量与基准操作一致,可通过降低风量和提高富氧率进行热补偿.热补偿后,随着焦炉煤气喷吹量的增加,焦炭质量流量呈上升趋势,炉腹煤气中还原气体积呈增加趋势,回旋区体积呈缩小趋势.每增加1 m3/s的焦炉煤气喷吹量,焦炭质量流量上升1.74%,炉腹煤气中还原气体积增加2.04%,...     

高炉风口回旋区工作状态监控技术的研究现状

在高炉生产过程中,只有从风口窥视孔可以直接观察高炉内的情况,操作者十分关注高炉风口区的工作状况,并将其作为判断和控制高炉操作的重要依据之一.风口前的监测可以获得喷煤高炉在风口处煤粉输送情况,还可以根据风口亮度与煤粉燃烧数值模拟结合,研判煤粉在风口回旋区的燃烧状况及温度分布等.简述了国内外在高炉风口回旋区温度检测、工作状态的监控技术的研究现状,提出利用数字图像处理技术与数值模拟结合,解决高炉风口回旋区工作状况监测和控制的思考.     

预测高炉回旋区深度和变化规律的数学模型

综合考虑力学因素和高炉中燃烧反应对风口回旋区的影响,提出了描述高炉风口回旋区形成和变化规律的静态和动态模型.模拟结果表明,静态模型能准确地预测高炉回旋区的深度,动态模型可以描述鼓风速度改变时回旋区深度随时间的动态变化过程.最后得出了高炉回旋区形成和变化的规律:鼓风推力使料层迅速移动,导致回旋区大小迅速变化,形成回旋区"雏形",燃烧反应修复回旋区的大小和形状,维持回旋区的稳定.在整个回旋区变化过程中,摩擦力对于维持回旋区的稳定起着重要作用.模型预测结果与高炉风口回旋区的实测值以及其他研究者的实验结果是符合的.     

关于大高炉用焦问题

一、质量问题高炉大型化,发展到4000～5000M~3的高炉,有利于采用电子计算机控制等现代化技术,大大提高劳动生产率和各项技术经济指标,因此是国内外高炉发展的方向。炉容愈大,其直径也愈大,因此采用多风口、小风口以增加风速,使风能吹透中心,这就使得焦炭在回旋区的磨损增加。高炉解体研究表明,焦炭粒度一般在炉腰以下才逐渐变小,接近风口焦炭回旋区粒度减少最快。当产生的粉焦多时,会在回旋区前面和下面积集,使得回旋区的外层透气性变差,以致区内压力升高,煤气只能从区顶较疏松的焦炭层中流出,这就形成炉缸中心堆积和边缘气流发展;且粉焦多时,潭、铁流粘度增加,碎焦和粉焦塞住部分间隙,以致燃烧带中液态渣、     

高炉风口回旋区简化模型的探讨

回顾和讨论了文献中从实际高炉的研究和解剖试验得出的回旋区尺寸间的计算关系和数学模型.基于回旋区边界上力的平衡,并考虑理论燃烧温度和有效直径等的影响,建立了适合于高炉过程实时控制的简化模型.     

高炉三维气固湍流和煤粉燃烧过程数值模拟

基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化方程,建立并发展了高炉风口回旋区湍流气固两相流动和煤粉燃烧的三维数学模型.用所建模型分别对冷态模型内气固两相流动和某企业750 m3高炉风口回旋区内的气固两相三维流动与煤粉燃烧进行了数值模拟.采用三维激光相位多普勒分析仪(PDA)对冷态模型内气固两相流场进行了测量,实验结果与冷态两相流动的模拟结果基本一致.热态模拟结果给出了气相温度和组分浓度分布,模拟结果与实验测量结果较吻合,揭示了风口回旋区内气固两相流动和煤粉燃烧的基本性质和特点.     

新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计

设计了一种适合模拟高炉喷煤燃烧的实验装置,满足热风既高温又高速的煤粉喷吹条件,可以模拟氧气高炉条件下的煤粉喷吹.喷吹瞬间流场的数值模拟结果表明,当喷吹气体速度达到最大值时,直吹管气体平均速度为162.35 m.s-1.利用该装置研究了氧气高炉条件下煤粉的燃烧规律.结果表明:煤粉的燃烧率随O/C原子比的增加而增加;在低O/C原子比条件下,煤粉的燃烧率较低,但其增幅比较明显;无烟煤的燃烧率低于烟煤.     

全氧条件下高炉高温热化学反应与能质传递协同原理

高炉作为目前主要的炼铁工艺,经过上百年的发展,其碳耗已接近该工艺的理论最低值,很难再有大的突破。氧气高炉作为一种新型炼铁工艺,其可行性以及在节碳减排方面的突出优势已经在理论上和试验性高炉上得到了证实。该工艺由于采用全氧鼓风代替传统的热风操作,同时将炉顶煤气脱除CO2后循环回高炉,使得炉内煤气中的CO和H2含量大幅增加,从而导致炉内炉料的冶金性能也发生了变化。为了推进氧气高炉工艺的工业化应用,对氧气高炉炼铁工艺进行了系统的研究。该研究建立了一种氧气高炉综合数学模型,对不同氧气高炉工艺流程进行模拟计算,并采用多种评价指标对氧气高炉炼铁工艺进行综合评价,确定适宜的氧气高炉工艺流程,为研究开发氧气高炉炼铁工艺提供理论基础。以氧气高炉数学模型为基础,在不同气氛下分别进行烧结矿、球团矿和块矿的低温还原粉化实验,分析氧气高炉气氛下含铁炉料的低温还原粉化特性。利用高温还原熔滴实验装置,进行不同操作条件下(传统高炉和氧气高炉)含铁炉料的高温软熔特性实验研究,讨论氧气高炉气氛与传统高炉气氛下炉料软熔特性的差异,初步探索氧气高炉软熔带的形成及分布规律。采用程序还原及软熔实验装置,通过设定升温制度及分段改变煤气成分来模拟烧结矿、球团矿及其混合矿在氧气高炉与传统高炉中的还原及软熔行为,对炉料在氧气高炉工艺条件下的还原及软熔性质演变规律作出分析判断。以氧气高炉数学模型为基础,采用自制的单颗粒还原实验装置对球团矿在H2、CO以及两者的混合气氛中的还原行为及其交互作用进行了研究;采用颗粒模型与三界面未反应核模型相结合的方法对球团矿在CO/CO2/H2/H2O/N2混合气氛下的还原行为进行数值模拟研究;用单颗粒焦炭溶损实验装置,分别对H2O、CO2以及两者的混合气氛中的焦炭的溶损行为及其交互作用进行了研究。通过利用仿真模拟系统建立了氧气高炉的数学模型对氧气高炉的内部运行状况进行了深入研究,分别采用粘性流方法和离散元方法对炉料下降运动进行数值模拟研究;建立了高炉风口回旋区的二维数学模型,对氧气高炉中气体的流动、煤粉颗粒的运动、气体的传热(气体间的传热和气体与颗粒间的传热等)、颗粒的传热(颗粒之间的传热及与气体间的传热等)、燃烧(煤粉和焦炭的燃烧)等过程进行了深入研究;通过建立一维和二维的气固换热与反应动力模型,对氧气高炉内部的温度分布、压力分布以及不同相之间的换热情况进行了深入了解。     

SiO2还原对高炉风口前理论燃烧温度的影响

风口前理论燃烧温度是衡量炉缸热状态的重要参数之一,而SiO2在风口前被碳还原对其产生的影响一直被忽略.通过实验研究了高炉风口前不同位置的试样,得到进入风口回旋区焦炭的温度和不同位置试样渣中SiO2的含量,从而确定出在风口回旋区SiO2的还原率,并建立了考虑SiO2还原情况下理论燃烧温度的计算公式,最后在富氧喷煤的条件下,分析和讨论了煤粉中灰分变化对理论燃烧温度的影响因素.     

高炉风口回旋区断面温度场数值化研究与应用

对风口回旋区内煤粉燃烧火焰断面温度场分布进行数值化研究,有助于诊断高炉风口回旋区煤粉的燃烧状态和了解炉缸的工作状况,同时可以指导改进氧煤燃烧器,改善氧煤燃烧工艺和高炉喷煤操作.采用非接触辐射测温理论和技术,建立了高炉风口回旋区断面图像的二基色(RG)信息与温度间的关系模型,进行了二维平面投影火焰温度场测量,并绘制了回旋区断面温度场等高线.试验结果表明:这种测温技术可行,与抽气式热电偶测量结果相比,准确度达98.09%.     

高炉布料过程中焦炭坍塌现象的模型研究

为了精确预测高炉炉料分布，开发了高炉布料数学模型。运用土力学边坡稳定理论，定量表示了焦炭向高炉中心的坍塌量。模拟结果与实测结果比较符合，证明此模型是适用的。结果表明，由于坍塌焦炭的积累，阻碍了矿石滚向高炉中心，明显改变了高炉边缘到中心的矿焦比。焦炭层的坍塌程度受布料模式、焦炭层的料面形状、矿石种类及配比、矿石批重和煤气流速等因素的影响，因此随着炉况的变化，焦炭层的坍塌状况也随之发生变化。