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高炉下部气液两相逆流流体力学特性的研究

熊玮  
【摘要】:高炉下部良好的透气性是高炉稳定操作和高产的重要因素。本文模拟高炉下部流动条件,选用不同性质的填料和液体在填充床内进行了气液逆向流动的流体力学实验,主要研究液体分布、滞留量、压降、载点和泛点气速。 实验结果表明,不论液体初始分布的均匀性如何,液体流过一定高度的填料床后总会建立一个稳定分布。填料形状系数越小,直径越大,液体向外偏流的趋势越明显;液体的密度越大,粘度越小,则越不容易发生偏流。由此可以推测即使没有煤气流的影响,高炉内炉渣也容易向炉墙附近流动。 应用最小二乘法将静态滞留量h_s与修正伽利略数Ga_m和修正表面张力数Cp_m进行了关联。液体的粘度越大、表面张力越大、密度越小,则静态滞留量h_s越大。它们的影响程度从大到小依次为密度、表面张力和粘度。填料的粒度、形状系数和孔隙度越小,则h_s越大。液体流量增加时,h_s大的固液组合总滞留量h_t也较大,由此可见影响h_s的各种因素也是影响动态滞留量h_d的主要因素。得到了无气体流动条件下的h_s和h_d,以及气液逆流条件下载点至泛点间h_t的计算式,计算结果与实验数据吻合较好。 将Sherwood液泛图中纵坐标液泛因子乘以密度校正系数解决了恰当反映密度对液泛速度影响的问题,并提出了新的液泛图和关联式。实验测得的载点气速大约为泛点气速的0.75倍。在气相雷诺数较小时,由于停滞孔隙率的存在,实测压降值比修正的厄根方程计算的值大;气相雷诺数较大时,气液界面上产生的粘性曳力较小,实测压降值比修正的厄根方程计算的值小。通过由实验结果回归得到的阻力系数与气相雷诺数的关系,提出了新的气相压降计算模型。当填料密度比液体密度小时,在液泛前填料会发生松动和膨胀,通过修正填料床的孔隙度可以计算膨胀填料床的压降。填料膨胀率的大小与液体流量、填料的流化速度及自由沉降速度有关。通过比较流化速度和液泛速度大小,提出了在一定流动条件下用来区分液泛和流态化的简图。结果表明,高炉滴落区发生的是渣的液泛,而不是焦炭床的流态化。 应用有限元方法,同时考虑了死料堆、风口回旋区、软熔带、矿石层和焦炭层料面形状及粒度分布、渣铁滞留量、滴下带渣铁流的分布等因素对气流阻力的影响,开发了高炉煤气流分布的二维模拟模型。模型计算结果表明,不考虑煤气流影响时,高炉内熔融物的总滞留量主要由静态滞留量h_s决定。焦炭粒度对h_s的影响最大,粒度减小5mm,h_s大约增加20%,而且粒度越小,增加的幅度越大。软熔带熔融矿石层附近和死料堆表面煤气的垂直流速较高,是最容易发生局部液泛的区域。风口回旋区上方是限制高炉产量的重要区域,一旦此区域透气性变差,局部液泛可能会扩展到整个炉腹截面,破坏高炉顺行。 根据液体滞留模型、气体压降方程和煤气流分布模型,以回旋区上部气渣流动状态作为判定条件,建立了反映高炉重要操作参数和最大产量之间对应关系的产量优化模型。模型计算结果表明:焦炭粒度增加5mm,产量约提高20%;渣比下降100kg/t,产量约提高


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