高压水平管下高炉喷吹稳定性优化数值模拟与试验.pdf
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1、第2 1 卷第2 期2023年6 月doi:10.13960/j.issn.1672-2558.2023.02.010南京工程学院学报(自然科学版)Jourmal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Edition)高压水平管下高炉喷吹稳定性优化数值模拟与试验Vol.21,No.2Jun.,2023投稿网址:http:/陈杨,杨小兰,孙凯,孙明迪,顾佳豪,刘极峰(南京工程学院机械工程学院,江苏南京2 1 1 1 6 7)摘要:针对高炉喷煤系统在喷吹方面存在能耗大、煤粉浓度波动大、管道堵塞等问题,通过Fluent建立水平管输送模型
2、,获得表观气速、输送介质、煤粉质量流量、管径等主要参数影响煤粉流动特性的相关规律,进而分析喷吹系统稳定性的最佳工作参数组合,并进行试验验证。试验结果表明,压降随着风速的增大先减小后增大;表观气速46m/s、压力0.8 MPa、管径1 1 4 mm时,喷吹系统压降最小,煤粉浓度波动较小,管道不会堵塞,压损降低1 0%,证明了试验结果和仿真的一致性.该研究为高效率喷吹技术研发提供了理论和技术参考。关键词:气力输送;水平管;压降;数值模拟中图分类号:TF538Numerical Simulation and Experiment of High-Pressure HorizontalBlast Fu
3、rnace Injection Stability OptimizationCHEN Yang,YANG Xiaolan,SUN Kai,SUN Mingdi,GU Jiahao,LIU Jifeng(School of Mechanical Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)Abstract:To solve problems with technical bottlenecks of large energy consumption,large fluctuations in pulverize
4、d coalconcentration and blocked pipelines in blast furnace coal injection system,a horizontal pipe conveying model wasestablished by using Fluent.Relevant laws of apparent gas velocity,conveying medium,pulverized coal mass flow,pipediameter and other main parameters affecting the flow characteristic
5、s of pulverized coal,were obtained.And then theoptimal working parameter combination of the stability of the injection system was analyzed and experimentally verified.The test results show that the pressure drop first decreases and then increases with the increase of wind speed.When theapparent gas
6、speed is 3 6 m/s,the pressure is 0.8 MPa,and the pipe diameter is 114 mm,the pressure drop of theinjection system is minimal,the fluctuation of pulverized coal concentration is small,the pipeline will not be blocked,andthe pressure loss is reduced by 10%,which proves the consistency of the experimen
7、tal results and simulation.This studyoffers a theoretical and technical insight into the research and development of high-efficiency injection technology.Key words:pneumatic conveying;horizontal tube;pressure drop;numerical simulation高炉喷煤是现代炼铁的重要技术,具有节焦、减排、增铁、降低成本、提高冶炼效率等优点,高收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 0;修回日
8、期:2 0 2 2-1 1-2 8作者简介:陈杨,硕士研究生,研究方向为振动控制与利用.E-mail:引文格式:陈杨,杨小兰,孙凯,等.高压水平管下高炉喷吹稳定性优化数值模拟与试验J.南京工程学院学报(自然科学版),2 0 2 3,2 1(2):51 57.炉喷煤工作流程是:原煤由磨煤机磨成粉末进人喷吹罐,然后通过喷吹管道经喷枪喷到高炉风口,使52其充分燃烧获得最大能量和使用效率.煤粉输送到高炉风口采用高压密相气力输送.与其他输送方式相比,高压密相气力输送具有气速低、固气比高、能耗低、耗气量小、管道磨损小等优点,被广泛应用于化工、发电以及制药等行业2 由高压密相气力输送的工作特性所带来的高压、
9、低速和固气比高会在煤粉输送过程中导致流型多变、煤粉浓度波动较大、输送不稳定的非线性动态响应的气固两相流,造成喷吹精度低、喷吹系统不易控制等现象.通常采用试验法和数值模拟研究高压密相气力输送.受其复杂的输送特性以及现有测量技术的限制,仅依靠试验研究很难再有新的突破,并且搭建试验设备成本较高.数值模拟方法可以捕捉计算区域内每一个单元格的详细流动信息,从而有助于揭示其流动特性,为合理设计与优化提供理论基础和经验指导,且可以降低试验成本3 .目前高压密相气力输送大多还是采用试验研究,数值模拟研究成果有限.数值模拟通常分为欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法,国内外学者采用这两种方法对气力输送系统进行了研
10、究.文献4 采用CFD-DEM方法对水平管气力输送进行数值模拟,研究壁面粗糙度和湍流随机效应对颗粒扩散的影响规律,将颗粒看成离散相,虽然可以具体分析每一个颗粒,但是计算量较大;文献5 在输送过程中加入辅助空气,分别以不同风速输送玉米和小麦时,对传统弯管和新型弯管进行数值模拟和试验比较,采用CFD-DEM方法探寻每一个颗粒的运动轨迹;文献6 基于Euler-Euler双流体模型模拟水平弯管高压密相气力输送,获得管道内气固两相的速度、浓度信息;文献7 基于离散单元法,结合气体、颗粒、壁面之间的受力情况,构建水平垂直一体化管道气力输送模型,并进行数值模拟和试验对比,获得输送管道内的颗粒速度、浓度分布
11、规律上述方法对高压密相气力输送进行研究,提高了输送效率,但由于高炉喷煤喷吹系统的管道参数、颗粒参数和操作参数不同,上述结论不能应用南京工程学院学报(自然科学版)于高炉喷煤系统优化,需要一套适应高炉喷煤系统的最佳工作参数.本文建立喷吹管道的双流体模型,进行Fluent仿真,得出喷吹较为稳定的最佳工作参数组合,提高喷吹精度与效率1模拟方法1.1模型建立与网格划分本文模拟管道为水平管,长度为1 0 m,内径为104、1 1 4、1 2 4 m m,用 SolidWorks 进行绘制.Fluent进行输送模拟要求流体网格尺寸不能太小,至少不能小于颗粒尺寸8-9 ,但是网格尺寸也不能远大于颗粒尺寸,否则
12、将不能准确捕捉气固两相细节,影响模拟结果.为保证仿真稳定和准确性的同时减少计算量,本文设定网格尺寸为颗粒直径的1 0 倍.进口端面采用铜钱型网格且呈非均匀分布,其中壁面附近采用相对较密的网格以确保其计算效果,用GAMBIT软件划分网格如图1 所示.网格数量共计1.610个,网格质量都是0.7 5 以上.图1 输送管道的网格划分1.2Fluent初始条件设置1.2.1管管道边界条件设置1)管道人口条件:气相入口边界条件,假设气体进入管道只有轴向速度,不存在径向速度,人口速度计算公式为:Vg.in=1-0.式中:vg,n为气体入口速度;U。为表观气速;。为煤粉颗粒体积分数。气相端流由给定水力直径计
13、算流强度,计算公式为:I=0.16(Rep,)-1/s2023年6 月(1)(2)第2 1 卷第2 期式中,Rep,为雷诺数(通过管道直径D,计算得出),本文管道模型为水平圆管.固相人口边界条件定义方式与气相相同,只有轴向速度,煤粉颗粒人口速度计算公式为:G.Vs,in式中:G。为煤粉颗粒质量通量;?。为煤粉颗粒体积分数;p。为煤粉颗粒密度.固相瑞流与气相瑞流定义方式相同.2)管道出口无任何条件限制.1.2.2Fluent 参数设置煤粉输送模拟的主要计算参数(煤粉物理参数、管道结构参数、输送参数)如表1 所示,表1 水平管模拟参数物理量数值管道内径/mm104,114,124管道长度/m10煤
14、粉泊松比0.3煤粉剪切模量/Pa3.0 108煤粉密度/(kgm-3)450500煤粉半径/m90(80%小于9 0,正态分布)管道材料密度/(kgm=3)7850煤粉一煤粉间碰撞恢复系数0.5煤粉一煤粉间静摩擦系数0.545煤粉一煤粉间动摩擦系数0.01煤粉初速度/(m s=l)5输送压力/MPa0.8固气比302数值计算模型高炉煤粉喷吹采用高压密相气力输送方式,故本文数值计算模型采用欧拉模型.结合高炉煤粉喷吹过程特点和颗粒动力学理论,建立高炉煤粉喷吹过程数学模型.模型不仅考虑煤粉颗粒的碰撞、气体与颗粒之间的相互作用,还考虑煤粉颗粒间的摩管径管长/工况管材mmmm11302140陈杨,等:高
15、压水平管下高炉喷吹稳定性优化数值模拟与试验气相连续性方程:a(pap.ug)a(p.Pu)ot(3)式中:为体积分数;p为密度;u、u、w 为速度矢量在x、y Vz 轴方向的分量.固相连续性方程:a(p.p,u,)a(p.p,v,)十at2.2动量守恒方程气相动量守恒方程为:at(peP:vg)+V(pep.gvg)=-0gVpg+VTg+P.9.g+F式中:P为气体压力;g为重力加速度;Tg为气体应力张量;F为气体与煤粉颗粒间的作用力.固相动量守恒方程为:p.9.g+Fu式中:T。为颗粒动力学应力张量;P。为颗粒动力学中的固相压力;F为气体与煤粉间的作用力,与F,是一对反作用力.3模型验证煤
16、粉喷吹过程中颗粒浓度大且颗粒的重力方向与气流方向垂直,所以煤粉在水平管中的流动情况较为复杂.在进行模拟前根据试验工况进行模拟,比较管道内压降来验证模型的正确性.表2 为试验工况参数.表2 试验工况参数表观气速/气相密度/煤粉直径/颗粒密度/输送压力/颗粒质量流量/(m:s)(kg:m)1520#钢1520#钢53擦力对煤粉流动特性产生的影响。2.1连续性方程dxm(kg:m)212250212250=0y(4)a(p.9,w.)=0十yMPa110480110480(5)(6)(7)(kg:s)0.8101.01254图2 为两种试验工况下压降值与模拟值的结果对比.由图2 可见,模拟与试验的压
17、降变化规律一致,且模拟与试验压降误差较小,表明本文模型可以模拟高炉煤粉气力输送过程,0.8一仿真值试验值0.70.60.50.402468101214表观气速/ms-l)(a)工况 10.7仿真值试验值0.60.50.4024表观气速/(ms-)(b)工况2图2 水平管数值模拟结果与试验对比4数值模拟结果分析4.1水平管内高炉煤粉流动特性分析4.1.1气体速度分布气体速度、颗粒速度和浓度是表征高炉煤粉喷吹技术的重要参数.图3 为气体速度为5 m/s、固气比为3 0、输送压力为0.8 MPa、煤粉质量流率为15kg/s、输送介质为氮气时水平管不同位置(距离人口位置Z=0.5、3.5、5.0、7.
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