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采用CFX对高炉回旋区的模拟研究
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摘要：考虑到回旋区内存在的焦炭热解、燃烧、气体湍流化学反应等过程，利用CFX，建立了基于颗粒轨道的物理模型，并对该模型进行了数值模拟。模拟结果表明：回旋区内，气流呈双涡旋分布，气体速度大部分<16m/s，峰值温度在2670K左右。进行了高炉红外测温实验，测量的峰值温度约为2660K。实验验证了数值模拟结果基本是正确的，对进一步研究高炉回旋区和修改高炉基本操作制度提供了理论依据。
关键词：高炉回旋区；数学模型；数值模拟
1 前言
高炉回旋区对高炉起非常主要的作用。笔者在文献中建立了回旋区冷态试验模型，采用激光PDA对回旋区内气、粒两相特性进行研究。但由于回旋区内物理化学过程的复杂性，目前回旋区理论仍缺乏完整的描述。全面研究回旋区的特性必须采用计算流体力学(CFD)的方法。
CFX是最成熟的商品化CFD软件之一，提供了被工程广泛验证的多种三维复杂湍流流动模型，化学动力学模型，多相流模型，气态、固态颗粒燃烧模型，辐射模型和颗粒输运模型等；拥有针对流体问题的最新网格生成技术；提供的基于改进的SIMPLE算法则包含多种求解模块的求解器，具有高可靠性和强大的计算能力；提供了领先的数据可视化后处理技术。
本研究考虑到回旋区内存在的颗粒运动、挥发、燃烧以及化学湍流现象，利用CFX建立了颗粒轨道的三维湍流数学模型，模拟回旋区内部的状况，分析其内部气体、颗粒的物理化学规律。为检验计算结果的正确性，进行了高炉红外线测温实验，通过大量高炉操作实践验证了数学模型是正确的，为高炉基本操作制度的修订提供了理论依据。
2 回旋区大小计算
大量高炉操作经验证明，高炉鼓风动能与高炉回旋区之间存在如下关系公式：
Eb=2ρgVg2TgP0/(3600πT0Pgd2n)， (1)
ιR=0.118×10-3Eb 0.77， (2)
HR=ιR/KR， (3)
式中Eb为高炉鼓风动能；Vg为每分钟鼓风量；ρg为鼓风密度；Tg为鼓风温度；Pg为鼓风压力；T0为273K；P0为标准大气压；n为风口个数；d为风口直径；ιR为回旋区深度；HR为回旋区高度；KR为回旋区形状系数。
依据高炉风口的相关参数，即可估算出回旋区的大小。莱钢某在线运行的750m3高炉风口的参数值有：鼓风压力2.15kg/cm2，风口直径0.12m，风口数量为18，鼓风温度1050℃，进风量1800m3/min。将数据带入公式中，计算出该回旋区的深度约为1.11m。根据小高炉取小值的经验，并取回旋区形状系数为1，故算出该回旋区的高度约为1.11m，回旋区近似为直径1.11m球体。
3 回旋区物理模型
3.1 回旋区的几何模型
ANSYS ICEM CFD 5.1具有极强的几何建模能力和自适应网格划分等技术。应用该软件，依据计算的回旋区尺寸，建立其几何模型。利用软件的自适应网格划分技术，对几何模型进行相应的网格划分。采用的笛卡尔坐标系方向：x轴为回旋区进风管轴向，z轴为高炉的高度方向，y轴为垂直于xz平面的水平面。坐标原点为进风管进入高炉后的位置。
3.2 回旋区的CFX模型
将划分完网格之后的几何模型导入CFX5.7.1一pre中，设置边界条件：气流速度、温度和压力的值为高炉风口参数值；焦炭颗粒直径取10mm；焦炭颗粒估计温度为1900K；在此忽略硫分，取焦炭颗粒灰分12％，挥发分1.0％，焦87％；颗粒初始速度设为1m/s，方向为-z；假设壁面光滑、绝热，与颗粒之间为弹性碰撞。
受计算机计算能力影响，只分别在z=0、0.1、0.9m层加入颗粒。每层颗粒数为1000，在每一层的分布位置是随机的。
选择CFX 5.7.1提供的流体力学模型和颗粒燃烧、颗粒输运模型、传热模型，设定此次计算的收敛精度、迭代次数和次序等参数，引入CFX Solver5.7.1进行计算，可完成回旋区数学模型的建模、数值模拟计算。
4 数值模拟结果分析
改变风口入口参数，利用CFX可模拟不同工况下的回旋区的物理化学状态，分析颗粒、气体湍流特性、温度及浓度等空间分布。在此主要通过CFX后处理模块POST 5.7.1对数值模拟结果中的气体速度、温度以及CO、CO2、O2组分进行分析。
4.1 xy平面内气体速度分布
图1为气体在回旋区xy平面内(z=0)的速度矢量。气体从左侧中心进入(下同)。与焦炭颗粒相互作用下，近风口区气体速度梯度较大，整个回旋区绝大部分气体的速度<16m/s，在y=±0.3m的位置形成两个气流漩涡。
4.2 xy平面内气体温度分布
图2为回旋区在xy平面内的气体温度分布(z=0)。进入风口后，氧气与焦炭发生完全燃烧，释放热量。具有一定体积的焦炭与氧气的反应并非瞬间完成，受高速气体影响，焦炭与CO2不断向外围移动、扩散，在火焰外围达到较高的温度。周围气体温度低，是由于焦炭的熔损反应的缘故。在该平面内峰值温度为2670K，约为2400℃。
为检验数值模拟结果的准确性，对高炉回旋区进行了红外测温实验，红外玻璃可通过波长范围为0.8～1.2μm。图3为红外测温实验结果，测出的回旋区峰值温度为2390℃，约为2660K。比较图2和图3温度的结果，数值模拟温度基本与红外方式获得的温度相等。说明采用CFX的温度模拟结果基本反映回旋区的状况。
4.3 xy平面内气体CO组分分布
图4是CO在y平面的浓度分布(z=0)，除中心地带浓度较低之外，其它区域浓度大于10％，峰值达到了27.4％。利用CFX可以得到任意z平面的CO浓度分布图。研究CO浓度对推断高炉软熔带的基本形状有比较重要的意义。
4.4 xy平面内气体CO2组分分布
图5是C02分别在z=0xy平面分布。受高速气流影响，CO2主要在燃烧火焰的外围空间分布。由于熔损反应，更外围空间，浓度降低。在z=0xy平面内平均浓度大于8.5％，峰值达到17％。
4.5 xy平面内气体O2组分分布
图6是02分别在z=0xy平面分布。在与焦炭的作用下，氧气的消耗很大，除在进风口外，其它各区的浓度下降到1％以下。
5 结论
考虑了回旋区内焦炭热解、燃烧以及与气体化学反应、颗粒轨道运动以及气流的湍流行为，利用CFX建立了回旋区三维湍流物理模型，并进行了数值模拟，得到了大量描述回旋区特性的数据。模拟结果显示：回旋区内气体成双涡旋分布，绝大部分气体速度<16m/s；回旋区峰值温度在2670K左右，基本与红外测量的结果相等；在颗粒粒子数目为1000的情况下，在z=0 xy平面内CO、C02气体的峰值浓度分别为27.4％和17％。
数值模拟结果基本与高炉实践结果吻合，较好地反映了回旋区内部的状态，为高炉操作制度提供了理论依据。
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