钢铁冶炼高炉协同处置冶金尘...固废的冷态流动数值模拟研究_潘却易.pdf

第2期钢铁冶炼高炉协同处置冶金尘泥固废的冷态流动数值模拟研究潘却易1，王晓佳1，沈德魁1，梁导伦1，向郁雪1，赵学亮2（1.东南大学能源与环境学院，江苏 南京210096；2.东南大学土木与工程学院，江苏 南京210096）摘要：本文根据“双碳”背景下发展循环经济的客观需求，针对目前工业固废处置能力差的问题，提出了开展工业窑炉协同处置固废的技术路线。利用流体仿真软件和双欧拉模型，重点研究在典型高温工业窑炉炼铁高炉中协同处置冶金尘泥这种含铁固废的冷态气固两相流动场。建立了从固废颗粒入炉到充分流动的全过程冷态流动模拟，分别得到了气相侧和颗粒侧的速度分布及组分分布。结果表明：在采用20%固废原料掺混比的条件下，高炉冷态流动场在120 s全过程流动中在80 s内达到流动稳定，固废颗粒与铁矿石颗粒在流动场上具有高度一致性，验证了高炉协同处置冶金尘泥固废在冷态流场特性方面的合理性和可行性，对指导固废资源化以及高炉仿真模拟研究具有指导意义。关键词：数值模拟；气固两相流；协同处置固废；冶金尘泥；双欧拉模型中图分类号：TF4文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）02-088-05基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFC1910000）作者简介：潘却易（1998），男，硕士，现就读于东南大学能源与环境学院。Tel：[phone]，E-mall：引用格式：潘却易，王晓佳，沈德魁，等.钢铁冶炼高炉协同处置冶金尘泥固废的冷态流动数值模拟研究 J.能源科技，2023，21（2）：88-92.0引言随着城镇化进程的推进，城市固废排放和处置问题日益突出。城市生活源排放的生活垃圾、市政污泥、废塑料，城市生产源排放的工业污泥、含油污泥、废轮胎，以及城市危废源排放的垃圾焚烧飞灰、油液危废、医疗垃圾等，总量巨大、种类繁多、成分复杂、分布广泛、危害严重，同时也呈现出逐年增长的趋势，单独处置受技术、设备、投资等多方面制约。我国钢铁冶炼、煤炭利用、水泥行业存在数量众多且广泛分布的高温工业窑炉，如熔分炉、煤粉炉、回转窑等，均具有1 000 2 000 的高温条件和完整的污染物脱除系统，以及高容纳度的物质流，利用工业窑炉协同处置城市固废具备直接条件和先天优势1。基于工业窑炉协同处置固废，一方面可减少由单独处置造成的设施、资金和资源的大量重复投入，另一方面还能解决工业窑炉长期低负荷运行问题，适合我国城市固废问题突出和工业窑炉齐全遍布的特点2。工业窑炉协同处置城市固废行业存在难点：多源城市固废的复杂性和不同工业窑炉工艺特性的差异性，要求必须根据固废的理化特性和污染物特征采取综合技术方案，实现与窑炉工艺系统及热工过程的兼容匹配3；针对工业窑炉协同处置城市固废导致的污染控制要求提升，须对由固废协同处置造成的二恶英、重金属等特征污染物进行全过程有效管控。1995年德国首次利用炼铁高炉协同处置固体废物4。近年来，S.Melendi5等人对炼铁高炉协同处置几种废弃塑料制品和润滑油进行了研究，结果表明协同处置不会影响炼铁的品质，还减少了燃料的使用。我国也在钢铁工业窑炉协同处置固废技术方面展开了相关的研究2，中国钢研科技有限公司和武汉钢铁公司建成了利用炼铁回转窑协同处置电解锌渣的示范工程。研究了炼铁高炉协同处置固体废物过程中Zn、Cd的挥发特性及其挥发规律的动力学模拟，为预测协同处置过程中重金属的挥发量提供了依据6。在工业窑炉协同处置固废的研究过程中，工业窑炉内的温度分布、速度分布等操作参数对固废颗粒的输运和反应过程有直接影响，并且直接决定了协同处置的质量和效率。由于高温工业窑炉的结构特点和内部高温特点，造成了现场条件下炉内温度场、流动场、组分浓度场的直接测量难度大，而利用中试平台搭建第21卷 第2期Vol.21 No.22023年4月Apr.2023第2期的小型焚烧试验台与实际窑炉工况的差异较大，实验研究不但代价高、时间长，且获得的数据具有一定局限性。因此，使用数值模拟方法研究工业窑炉在协同处置有机固废时炉内组分的输送特性和化学反应过程，逐渐成为实验研究的重要补充，对于深入理解和优化有机固废的协同处置过程，具有重要的参考价值7-8。目前，研究气固两相流动和燃烧过程的主要数值模拟方法有欧拉拉格朗日方法和欧拉欧拉方法两类9。其中，欧拉拉格朗日方法主要是将流体作为连续介质，颗粒作为离散介质，描述流场中颗粒的每一个流体质点的位置、速度及其物理量随时间的变化；欧拉欧拉方法是基于欧拉框架，将气固两相看成相互渗透、耦合，但有不同运动特征的连续介质。工业窑炉内的气固两相流动比较复杂，固气比较高，相对于欧拉拉格朗日模型，在高炉仿真中采用欧拉双流体模型具有占用计算资源少、计算速度快等优点10。针对以上问题，本文以国内现服役的马钢一号高炉为研究对象，通过建立基于双欧拉模型的CFD三维流体仿真模型，在真实工业尺寸的高炉工艺流程中，协同处置冶金尘泥固废，计算得到全过程的固废颗粒流动特性，验证了高炉协同处置固废的可行性和安全性。1研究对象介绍本文选取马钢一号2 500 m3高炉作为研究对象，该高炉设计于本世纪初，具有高效、长寿、低耗的技术特点。该对象的生产过程简要描述如下：含铁炉料、焦炭与少量助燃剂按照一定比例从炉顶布料中投入高温炉内，高温富氧空气从炉腹风口鼓入炉内，炉料由上至下连续下降发生还原反应生成液态生铁，其余不反应物质形成渣铁，由渣铁口排出，生产过程具有代表性和典型性。马钢一号高炉结构尺寸设计吸收国内外其他炉型的设计特征，优化了高炉结构尺寸，见表1。表1高炉结构尺寸参数1234炉缸直径d/mm炉腰直径D/mm炉喉直径d1/mm炉缸高度h1/mm11 10012 7008 3004 500序号项目炉型5678910111213141516炉腹高度h2/mm炉腰高度h3/mm炉身高度h4/mm炉喉高度h5/mm有效高度Hu/mm风口高度hf/mm死铁层高h0/mm炉腹角/（）炉身角/（）铁口数量/个风口数量/个高径比Hu/D3 4001 80017 7002 00029 4004 0002 30076.7682.923302.31序号项目炉型该项工作通过商业软件Ansys Fluent中自带的三维CAD模块Design Modeler创建了仿真对象的三维仿真模型，并转化为网格生成软件ICEM可以识别的接口文件进行网格划分，规则的部分采用六面体网格，在不规则区域采用四面体网格划分，通过混合网格的网格生成方式，简化计算量，同时保证了网格的质量，如图1所示。0.0025.0075.0050.00100.00图1三维模型与网格/m2数学模型与计算设置2.1控制方程设置高炉协同处置冶金尘泥工艺流程为典型的气固两相流动，模拟炉内气固两相流动时，该项工作在Fluent流体仿真软件提供的双欧拉框架下模拟颗粒流动。欧拉欧拉模型是Fluent中最复杂的多相流模型，包含有n 个动量方程和连续方程以求解每一相。气固两相流动选用 Realizable k-模型模拟气相湍流。相较于标准的雷诺方程，更多地考虑了黏度和耗散在输运中的作用，因此在涉及旋转流动的计算中可以在雷诺应力上保持与真实湍流的一致，相较于标准k-模型和RNG k-模型更符合真实情况。气相湍流潘却易等：钢铁冶炼高炉协同处置冶金尘泥固废的冷态流动数值模拟研究续表89第2期燃烧模型采用概率密度函数模型，炉内部采用P-1辐射模型，建立熔分炉内物料、烟气和炉壁间的传热数学模型，见表2。表2气相控制方程控制方程连续方程动量守恒方程能量守恒方程湍流流动方程表达式t+()ux+()vy+()z=0DuDt=fi+jixj()Tt+div()uT=div|kcpgradT+ST()kt+()kiiXi=xj|+tkkxj+Gk+Gb YM+Sk()t+()quiXi=xj|+txj+C1k(Gk+G3gGb)+Sk2.2计算边界条件设置针对高炉生产工艺流程，设计了协同处置冶金尘泥固废的掺烧比例，保证在协同处置固废时，高炉原本的生产流程和产品质量不受影响。同时，聚焦固废颗粒从布料钟投入炉内到流出的全过程中的冷态流动情况，进行了120 s的全过程模拟，达到充分流动的效果，见表3。表3协同处置边界条件设置颗粒铁矿石冶金尘泥直径/m5e10-35e10-4质量流量/（kgs-1）1023计算结果与讨论本文关注重点在于固废颗粒以及铁矿石颗粒的冷态流动，主要研究对象是颗粒和助燃气体的气固两相流动，此过程主要发生区域在于高炉内空旷区，因此建模时将此处模型设置为空腔处理。3.1冷态气固两相流场计算结果回旋区气相在30120 s的流动流场分别如图2图3所示。Airco.Co.Mole Fraction5.000e-014.737e-014.474e-014.211e-013.947e-013.684e-013.421e-013.158e-012.895e-012.632e-012.368e-012.105e-011.842e-011.579e-011.316e-011.053e-017.895e-025.263e-022.632e-023.758e-0830 s60 s120 s图2120 s内气相速度场30 s60 s120 sAirco.Velocity156.00132.67109.3386.0062.6739.3316.00图3120 s内气相浓度场炉腹鼓入的助燃气体在回旋区的流场表现说明，热风在经过喷口向前喷吹的过程中，初始时保持初速度继续高速向前流动，逐渐形成高速流动的红色区域，并随着时间逐渐向前发展。随着高炉炉顶投入的颗粒向下流动，气体发展受到颗粒和生成物的双重阻拦，动量速度逐渐降低，通过对比80 s和120 s时速度分布，看到80 s时速度流场已经趋于稳定，回旋区前端速度达到100 m/s，主要反应区域被气相充满，后续工艺需要的反应环境顺利形成。3.2冷态颗粒流动场计算结果3.2.1铁矿石颗粒流动场计算结果铁矿石颗粒的下降主要特征有：在下降的初期，由炉身上部直到炉嘴区域，由于没有受到喷吹助燃气体的影响，整体呈自由下落状态，整体下降速度大致相同。在运动到炉腹位置时，由于受到助燃气体流动影响，向靠近侧壁方向运动。由于与壁面发生摩擦，整体下降速度变慢，并在壁面和炉底逐渐稳定堆积，形成稳定的死料柱区域，如图4所示。流动特性与实际生产过程以及实验结果相符，符合预期效果。在掺入颗粒尺寸较小的固废颗粒后，原本生产工艺中的铁矿石颗粒的流动并没有受到干扰，协同处置并不会影响原本的工业生产。Steel.Volume Fraction1.000e-059.474e-068.947e-068.421e-067.895e-067.368e-066.842e-066.316e-065.789e-065.263e-064.737e-064.211e-063.684e-063.158e-062.632e-062.105e-061.579e-061.053e-062.263e-070.000e+00图4铁矿石颗粒流场3.2.2冶金尘泥颗粒流动场计算结果流动过程中选取了3 个时间点观察固废颗粒的速度场计算结果，如图5所示。90第2期潘却易等：钢铁冶炼高炉协同处置冶金尘泥固废的冷态流动数值模拟研究Mud.Velcocity1.986e+011.786e+011.589e+011.391e+011.192e+019.932e+007.946e+005.959e+003.973e+001.986e+000.000e+0030 s60 s120 sms-1图5120 s内固废颗粒速度场在计算过程中，由于冶金尘泥固废颗粒的质量流量和颗粒直径都明显小于铁矿石颗粒，固废颗粒的流动明显受到气相侧流场更多的影响，整体流动达到稳定需要的时间更长，流场向炉壁偏移的尺度更大，同时流动的速度下降也更快。从整体流场特征来看，固废颗粒在炉内流动特征与铁矿石颗粒的流动特征相似，两种颗粒流在炉内的流动场互相干扰较小，固废颗粒在冷态流动中可以近似地看作粒径更小的铁矿石颗粒。因此，从冷态流动的角度看，当投入的固废颗粒质量流量和颗粒直径选择合理时，对原本的工艺流程中冷态流动场的形成影响较小，对工业生产造成的影响较小。3.3瞬时压力变化曲线图6是选取高炉炉膛出口为观测点的压力随时间的变化曲线。由图 6 中压力在 120 s 内的变化曲线可知，在流动开始的前20 s内，出口处压力迅速上升，之后随时间发展压力逐渐下降，当流动发展到80 s后，出口处的压力波动范围逐渐减小并趋于稳定，因此在协同处置固废颗粒之后，炉内冷态流场依然具有较好的稳定性。时间/s0204060801001201 2001 0008006004002000压力/Pa图6出口处瞬时压力图7为分别选取出口处和炉腹中心点为观察点时，压力分别随时间变化的曲线。由图7可以看出，相较于出口处，炉腹中心点的压力变化范围相对更大，同时炉腹中心流动稳定需要的时间也更长，这主要是由于协同处置的冶金固废颗粒的直径更小，在气固两相流动中更容易受到干扰。因此，在流动发展更深入的炉腹区域，固废颗粒相较于铁矿石颗粒受到了更多的气相流动干扰，速度更慢，整体反应需要的时间也更长，一定程度上对生产工艺有拖慢的影响。时间/s0204060801001202 5002 0001 5001 0005000压力/Pa炉腹出口图7出口与炉腹瞬时压力对比4结语针对工业窑炉协同处置固废过程中对含铁固废处理困难的问题，本文提出了利用钢铁冶炼高炉协同处置含铁的冶金尘泥固废的技术路线，通过流体仿真软件建立高炉内冷态固废颗粒多相流动的流动场模拟。结果证明：（1）在该协同处置方式下，冶金尘泥固废颗粒与铁矿石颗粒的冷态流动特性相似，掺混工业固废颗粒后流动场、速度场、压力场均保持稳定，固废颗粒与铁矿石颗粒在流动场上具有高度一致性，协同处置技术路线难度低且可实现。（2）由于固废颗粒相较于原本固相颗粒直径较小，在冷态流动中更容易受到气相侧流动的干扰，协同处置固废后整体的工艺流程效率有所下降，稳定流动需要的时间更长，因此在协同处置固废时需严格控制掺混固废颗粒的比例。（3）提出的技术路线以及数值模拟研究方法与结果对固废资源化以及高炉仿真模拟研究具有指导意义。参考文献：1朱法华，王玉山，徐振，等.中国电力行业碳达峰、碳中和的发展路径研究 J.电力科技与环保，2021，37（3）：9-16.2龙红明，魏汝飞，李宁，等.高炉炼铁协同处理城市可燃固废 J.钢铁，2018，53（3）：1-9.3柏源，刘涛，安风霞，等.某300MW燃煤机组FGD与WESP对颗粒物协同控制效果分析 J.电力科技与环保，2020，36（6）：27-9.4 JANZ J,WEISS W.Injection of waste plastics into the blastfurnace of Stahlwerke BremenJ.Revue De Metallurgie-Cahiers D Informations Techniques,1996,93(10):1219-26.5MELENDI S,DIEZ M A,ALVAREZ R,et al.Plastic wastes,91第2期lube oils and carbochemical products as secondary feedstocksfor blast-furnace coke production J.Fuel Processing Technology,2011,92(3):471-8.6叶恒棣，李谦，魏进超，等.钢铁炉窑协同处置冶金及市政难处理固废技术路线 J 钢铁，2021，56（11）：141-147.7杨秀超，马俊方，王彦文，等.煤粉工业锅炉NOx生成特性数值模拟研究燃烧器内二次风开度影响 J.电力科技与环保，2021，37（6）：1-7.8曾令艳，李晓光，张宁，等.三次风摆角影响W火焰锅炉低负荷燃烧及NOx 排放特性的试验研究 J.电力科技与环保，2021，37（6）：18-23.9唐家鹏.AnsysFluent16.0超级学习手册 M.北京：人民邮电出版社，2016.10 ZHONG W,ZHANG M,JIN B,et al.Three-dimensionalSimulation of Gas/Solid Flow in Spout-fluid Beds with Kinetic Theory of Granular Flow Supported by the National KeyProgramofBasicResearchinChina(No.2004CB217702,No.2005CB221202,No.2006CB 20030201)and the NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.20590367,No.50676021,No.50606006)J.Chinese Journal of ChemicalEngineering,2006,14(5):611-7.Cold Flow Numerical Simulation Study on Collaborative Disposal of MetallurgicalDust,Mud,and Solid Waste in Iron and Steel Smelting Blast FurnacePAN Queyi1,WANG Xiaojia1,SHEN Dekui1,LIANG Daolun1,XIANG Yuxue1,ZHAO Xueliang2(1.School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096;2.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096)Abstract:In response to the objective demand for the development of circular economy in the context ofCarbon peaking and carbon neutrality strategy,and in view of incapability of dealing with industrial solidwastes,this paper proposes a technical route for carrying out collaborative disposal of solid wastes in industrial kilns.This paper uses the fluid simulation software and dual Euler model to focus on the study on synergized treatment of metallurgical dust and mud in a typical high-temperature industrial kiln-ironmakingblast furnace as this type of metallurgical dust and mud contains iron and solid wastes in the cold gas-solidtwo-phase flow field.The cold flow simulation of the whole process from solid waste particles entering thefurnace to full flow was established to obtain the velocity distribution and component distribution on the gasside and particle side.The results show that at 20%solid waste raw blending ratio,the cold flow field ofthe blast furnace reaches flow stability within 80 seconds across the entire process of 120 seconds.The solidwaste particles and iron ore particles have high consistency in the flow field,concluding that it is workablein terms of the cold flow field characteristics of the collaborative treatment of metallurgical dust and solidwaste in the blast furnace.This has guiding significance for guiding the resource utilization of solid wastesand the simulation research of the blast furnace.Key Words:numerical simulation;gas-solid two-phase flow;synergized treatment of solid wastes;metallurgical dust and mud;dual Euler model（收稿日期：2023-02-20责任编辑：马小军）92