一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法技术

一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，建立高炉风口回旋区中气体运动过程中的气体相控制方程，所述气体相控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和化学组分方程；建立颗粒相控制方程，所述颗粒相控制方程包括平动方程、转动方程、能量方程和化学组分方程；进行CFD

【技术实现步骤摘要】
一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法


[0001]本专利技术涉及一种高炉，具体涉及一种高炉焦炭燃烧特性分析方法。

技术介绍

[0002]在传统高炉炼铁工艺中，风口回旋区是整个高炉热量和还原气体产生的源头，是高炉稳定操作不可缺少的重要反应区。高炉风口回旋区的形貌和化学反应情况，将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉料的稳定下降以及整个高炉内的传热传质过程，尤其是对大型高炉而言，炉内料层直径及高度均较大，风口回旋区的形貌和化学反应过程对于炉内温度及煤气成分分布的合理控制尤为重要。因此，认知风口回旋区多相物质流动和热化学行为及形成机理，并在此基础上建立相关理论和实践知识，将对回旋区的控制与优化进而确保高炉稳定、顺行、高产率具有举足轻重的意义。
[0003]真实高炉过程是在高温(风口燃烧区温度高达2000℃)高压(炉内回旋区最高超过4个大气压)条件下操作，内部现象非常复杂，因而测量和观察高炉内部信息非常困难。尤其是软熔带内部及其下部的信息，气、粉、液、固等多相物质流进行着多方向多物理场复杂耦合的同时，伴随相间强烈的动量、热量和质量传输。所以，高炉数学模型结合物理实验模型并辅以高炉解剖实验在高炉机理研究过程中扮演着重要的角色。目前，模拟高炉风口回旋区多相物质流传输过程的方法主要可以分为宏观尺度的连续介质方法(TFM)和微观尺度的离散颗粒方法(CFD
‑
DEM)。
[0004]目前，全球范围基于CFD
‑
DEM法对高炉风口回旋区的研究水平主要分为三个层次，第一层次：在环境压力和温度条件下研究回旋区颗粒流或者流体
‑
颗粒流体系的流动现象；第二层次：考虑回旋区流体
‑
颗粒流体系的流动和传热现象；第三层次：能够完全考虑回旋区流体
‑
颗粒流体系内流动、传热、传质及化学反应(焦炭燃烧及气化反应)现象。由于回旋区内部发生着强烈的多相物质流传输现象，尤其涉及极为复杂的化学反应过程，到目前为止，基于CFD
‑
DEM方法大多都是研究回旋区的形貌特征及冷态流动，对于回旋区的传热传质及化学反应行为的研究鲜有报道，尤其涉及回旋区强烈的焦炭燃烧反应。对于回旋区焦炭化学反应的研究，大多都是采用双流体模型(Two
‑
Fluid
‑
Model，TFM)进行研究，在双流体模型中，焦炭颗粒被视为一种拟流体，焦炭床层被假设为多孔介质进行反应，虽然提高了计算效率，但明显的缺陷是不能得到颗粒尺度关键的燃烧信息。
[0005]然而目前对于高炉风口回旋区焦炭颗粒化学反应特性的研究十分有限。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：提供了一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，建立一个能够考虑回旋区化学反应(包括焦炭燃烧及气化反应)及焦炭颗粒物性(粒径)变化的CFD
‑
DEM模型并从颗粒尺度下解析了回旋区动态演变过程及焦炭燃烧特性，有利于对高炉风口回旋区进行优化控制进而确保高炉稳定高效运行，提高钢铁产业的节能减排效益。
[0007]技术方案：一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，包括以下步骤：
[0008](1)建立高炉风口回旋区物理模型；
[0009](2)建立高炉风口回旋区中气体运动过程中的气体相控制方程，所述气体相控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和化学组分方程；
[0010](3)建立颗粒相控制方程，所述颗粒相控制方程包括平动方程、转动方程、能量方程和化学组分方程；
[0011](4)进行CFD
‑
DEM耦合仿真，从颗粒尺度下分析回旋区动态演变过程及焦炭燃烧特性。
[0012]进一步，步骤(2)所述连续性方程为：
[0013][0014]其中：ε为气体体积分数；ρ
g
为气体密度,kg/m3；u
g
为气体速度矢量,m/s；S
mf
为由于化学反应产生的气体组分源相，kg/(m3·
s)；t为时间，s；
[0015]所述动量方程为：
[0016][0017]其中：g为重力加速度，m/s2；F
gp
为气体颗粒间相互作用力，N；τ为应力张量，Pa；p为压力，Pa；
[0018]所述能量方程为：
[0019][0020]其中：T
g
为气体温度，K；c
g
为气体比热容，J/(kg
·
K)；k
p
为气体导热系数，W/(m
·
K)；Q
g,i
为气体和颗粒间的热对流，W；Q
g,wall
为气体与壁面之间的热流，W；Q
reac
为化学反应热，W；i为颗粒符号，表示颗粒；k
v
为一个计算网格内颗粒的数目；V为计算网格的体积；
[0021]所述化学组分方程为：
[0022][0023]其中：C
m
为化学组分m的浓度分数；S
m
为化学反应源相，kg/(m3·
s)；Γ
m
为组分m的扩散系数，m2/s。
[0024]进一步，步骤(3)所述平动方程为：
[0025][0026]其中：m
i
为颗粒质量，kg；I
i
为转动惯量，kg
·
m2；v
i
为颗粒平动速度，m/s；ω
i
为颗粒角速度，rad/s；f
e,ij
为颗粒i、j之间弹性力，N；f
d,ij
为颗粒i、j之间粘性阻尼力，N；f
d,i
为气体对颗粒间的曳力，N；m
i
g为颗粒重力，N；
[0027]所述转动方程为：
[0028][0029]其中：T
t,ij
为颗粒i、j之间切向力矩，N/m；T
n,ij
为颗粒i、j之间法向力矩，N/m；I
i
为
转动惯量，kg
·
m2；ω
i
为颗粒角速度，rad/s；T
r,ij
为颗粒i、j之间滚动摩擦力矩，N/m；
[0030]所述能量方程为：
[0031][0032]其中：T
i
为颗粒温度，K；c
p,i
为颗粒比热容，J/(kg
·
K)；Q
i,j
为颗粒i、j之间导热传热量，W；Q
i,g
为颗粒与气体间的对流传热量，W；Q
i,rad
为颗粒对周围环境的热辐射，W；Q
i,reac
为化学反应热，W；
[0033]所述化学组分方程为：
[0034][0035]其中：c
i,m
为颗粒中组分m的浓度，kg/m3；s
i,m
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立高炉风口回旋区物理模型；(2)建立高炉风口回旋区中气体运动过程中的气体相控制方程，所述气体相控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和化学组分方程；(3)建立颗粒相控制方程，所述颗粒相控制方程包括平动方程、转动方程、能量方程和化学组分方程；(4)进行CFD
‑
DEM耦合仿真，从颗粒尺度下分析回旋区动态演变过程及焦炭燃烧特性。2.根据权利要求1所述的高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，其特征在于：步骤(2)所述连续性方程为：其中：ε为气体体积分数；ρ
g
为气体密度,kg/m3；u
g
为气体速度矢量,m/s；S
mf
为由于化学反应产生的气体组分源相，kg/(m3·
s)；t为时间，s；所述动量方程为：其中：g为重力加速度，m/s2；F
gp
为气体颗粒间相互作用力，N；τ为应力张量，Pa；p为压力，Pa；所述能量方程为：其中：T
g
为气体温度，K；c
g
为气体比热容，J/(kg
·
K)；k
p
为气体导热系数，W/(m
·
K)；Q
g,i
为气体和颗粒间的热对流，W；Q
g,wall
为气体与壁面之间的热流，W；Q
reac
为化学反应热，W；i为颗粒符号，表示颗粒；k
v
为一个计算网格内颗粒的数目；V为计算网格的体积；所述化学组分方程为：其中：C
m
为化学组分m的浓度分数；S
m
为化学反应源相，kg/(m3·
s)；Γ
m
为组分m的扩散系数，m2/s。3.根据权利要求1所述的高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，其特征在于：步骤(3)所述平动方程为：其中：m
i
为颗粒质量，kg；I
i
为转动惯量，kg
·
m2；v
i
为颗粒平动速度，m/s；ω
i
为颗粒角...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄂殿玉，荆祎，王琪，崔佳鑫，郑奇军，焦璐璐，蒋友源，姜泽毅，
申请(专利权)人：鑫铂斯南京智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：