高炉喷吹煤粉管道压降模型的相关研究.pdf

收稿日期:作者简介:何海熙()高级工程师.高炉喷吹煤粉管道压降模型的相关研究何海熙 谢 皓 孙小东 徐 灿 张 杰 王 贤 颜 新(中冶赛迪信息技术(重庆)有限公司智能炼铁部.中冶赛迪工程技术股份有限公司炼铁事业部)摘 要 文章以 附加压降理论为基础 采用量纲分析方法 利用中试平台开展实验研究 建立了喷吹煤粉管道的压降模型 将该模型应用到工程项目企业、和 中 能够准确预测喷吹罐压力 相对偏差在 以内 模型的建立不仅能促进高炉喷煤系统工程设计精细化 实现低阻损、低能耗、低磨损的远距离直接喷吹 还能为现场生产降低能耗提供一定理论支撑关键词 附加压降理论 高炉喷煤系统 阻力系数文献标识码:文章编号:()().).近年来 高炉喷煤技术作为改变高炉能源结构的关键技术 已经发展成为炼铁行业不可或缺的工艺环节 炼铁工作者对喷煤技术革新的关注也越来越多 新建高炉或改造高炉必须设置喷煤设施随着高炉喷煤技术的发展 通过优化系统设计方案 降低喷煤能耗和成本成为重要的研究方向 文章以附加压降理论为基础 采用理论计算、中试实验与工程验证相结合 建立了一套适合于高炉喷吹煤粉压降模型 期望为进一步降低喷吹能耗提供理论支撑 喷煤压降模型概述高炉喷煤是利用高压气体 将喷吹罐内煤粉通过管道输送至煤粉分配器 再经煤粉分配器均匀分配到各煤粉支管 最后由煤粉支管末端喷枪喷入高炉内 该过程阻力损失属于气力输送领域范畴目前气力输送领域计算管道压降主要有压降冶 金 能 源 比法、经验公式法、力平衡法和附加压降法 压降比法和经验公式法模型非常简单 但精度低工程应用普适性比较差 力平衡法精度高 但模型建立难度大 国内外众多学者对煤粉管道的阻力特性进行过很多研究 主要针对附加阻力系数建立了大量模型 见表 但由于试验条件不同 所获得的模型也不尽相同 仅从试验条件来看 池作和、黄万杰等人的研究与实际工程比较接近 但仅单独分析了附加阻力系数与固气比或弗劳德准数的关系 并未统一考虑弗劳德数、固气比和物料物性参数对阻力特性的影响表 煤粉管道附加阻力系数 模型作者模型试验条件固气比/()管径/周建刚、沈颐身等 (水平管道)(垂直管道)高炉喷吹煤粉工程设计规范 (水平管道)(垂直管道)王国雄、沈峰满等 池作和、张力等()熊源泉、(/)黄万杰、郭晓镭等 (水平管道)(垂直管道)华北电力院()时 电厂制粉系统 文章结合目前高炉喷煤的发展趋势 采用附加压降法 通过中试实验装置进行验证 建立精度较高的煤粉管道压降模型 压降阻力系数中试实验研究 实验装置及方案介绍利用中试实验平台 开展不同管径组合方式的实验 研究在不同管道长度、不同喷吹量时管道阻损与气体流速的关系 构建纯气体阻力模型、附加阻力模型实验物料参数和实验平台的条件分别如表 和表 与实际工程接近 实验采用压缩空气输送无烟煤粉 压缩空气最高输送压力 无烟煤粉来源于实际工程 粒度 比例 松装密度 /输送管道采用 无缝钢管 最高喷吹能力 /相当于 级高炉实际喷吹量表 实验物料参数/灰分/着火点/粒度 占比/水分/松装密度/()振实密度/()真密度/()崩溃角/()表 实验平台相关条件项目实验参数输送介质压缩空气 输送管道长度 管径 ()()喷吹能力 /压力检测元件压力变送器压差检测元件隔膜密封式差压变送器流量检测元件标准孔板流量计不同管道组合的实验方案见表 所示 方案 为纯气体阻力实验 总长度 (其中 管道与 管道各 )方案 方案 为不同管径和长度组合下的煤粉输送实验方案 其中方案 管道总长度为 (管道与 管道各 )方案 管道总长度为 (管道长 管道长)方案 管道总长度为 (管道长 冶 金 能 源 管道长 )每根管道的起始和结束段均安装差压变送器 测量管道差压和压力 压缩空气流量采用标准孔板流量计表 实验方案实验参数纯气体阻力实验方案 附加阻力系数实验方案 方案 方案 管道长度/管道长度/喷煤量/()总长度/纯气体阻力系数结果分析通过方案 测定管道阻力损失 与压缩空气流速 之间关系 结果见图 和图 所示 和 的管道压降 随着气体流速 的增大呈指数型增加 即 ()实验相关性 均超过 通过回归分析得到纯气体阻力系数 与雷诺数 之间关系为:图 管道压差 与流速 关系图 管道压差 与流速 关系 见 图 见图 将所有数据统一进行多元线性回归 得到纯气体阻力系数表达式为:图 管道纯气体阻力系数回归模型图 管道纯气体阻力系数回归模型从图 和图 可以看出 实验所得纯气体阻力系数与经典柏拉修斯公式接近 发现当雷诺数 时 纯气体阻力系数 而通过柏拉修斯经典公式所得计算值 实验所得 大于柏拉修斯经典公式所得计算值 主要原因在于 柏拉修斯实验所采用管道为光滑管 而实验采用实际工程所用无缝钢管 后者粗糙度更高 导致阻力系数更高 附加阻力系数结果分析大量理论分析和实践经验表明 附加阻力系数与以下各参数之间存在一定关系即:()()式中:为气体速度/分别为气、固两相真实密度/分别为固体颗粒平均粒径和管径 为固气比/根据量纲和谐原理 可将附加阻力系数的表达式整理为:冶 金 能 源 (/)(/)()式中:为弗劳德数 与气体速度和管道直径有关 ()在实验中 煤粉主管选取标准无缝钢管 管径一般在 之间 为简化计算 式中管径对附加阻力系数的影响可通过弗劳德准数形式表征 通过实验获得不同实验方案下 附加阻力系数表达式分别为:将所有数据统一进行多元线性回归 得附加阻力系数 综上 利用实验平台开展不同管径组合方式下实验研究 构建高炉喷煤压降预测模型 ()/压降模型工程验证将文章获得的高炉喷煤压降预测模型在实验平台和企业、和 上进行验证 验证结果见表 表 压降模型测试和验证结果名 称单位中试实验平台实验 实验 实验 实际工程项目企业 企业 企业 高炉炉容 煤粉管道规格 喷吹距离喷煤量/实际罐压 预测罐压 绝对偏差 相对偏差 从验证结果来看 该模型在中试实验平台与实际工程项目中结果接近 整体预测精度较高相对误差在 以内 绝对误差在 以内 实践证明该模型能够根据高炉生产对喷煤量的调整需求 精准预测喷吹罐压 从而在保障稳定喷煤量的同时 有效避免能源浪费将此模型应用到企业、和 中产生误差的主要原因为:()建立模型时 假定煤粉和气体在任一管道断面面积比恒定不变 气固两相流连续流动 但实际工程中煤粉在管道内流动是间断性的 而且其流动状态也并非恒定不变 悬浮流、分层流和沙丘流均可能存在()在建立模型时 计算得到的气体密度、气体速度、弗劳德准数及雷诺数均为平均值 同时以分配器压力为初始值 通过迭代计算得到的气体速度和喷吹罐压力也为平均值 因此 在一定程度上影响了模型的精度 但仍然在工程接受范围 结语文章以附加压降模型为基础 通过量纲分析方法 利用中试平台开展实验研究 建立了高炉喷吹煤粉管道压降模型 该模型通过计算高炉喷吹煤粉在管道内的压降 根据实际工况能够准确预测喷吹罐压力 精度为 以内 该模型建立一方面对于优化高炉喷煤工程设计提供了一定理论支持 另一方面 在生产实践中 可根据高炉生产对喷煤量的调整需求 通过精准预测喷吹罐压 在稳定喷煤量的同时 有效避免能源浪费参考文献 李涛 苏步新 王广伟 等 高炉喷吹煤粉优化选择.钢铁 ():司新国 方丽平 崔晓冬 等 唐钢本部高炉喷吹煤结构优化与实践 冶金能源 ():高鹏 赵丹宁 王平 等 马钢 高炉喷吹煤粉燃烧性能研究与应用.钢铁 ():冶 金 能 源 项钟庸 王筱留 等 炼铁工艺设计理论与实践.北京:冶金工业出版社 周建刚 沈颐身 马恩祥 等 粉体高浓度气力输送、控制与分配技术.北京:冶金工业出版社 吴启常 张建梁 等 高炉喷吹煤粉工程设计规范 北京:中国计划出版社 王国雄 王铁 沈峰满 等 现代高炉粉煤喷吹.北京:冶金工业出版社 池作和 张力 潘卫国 等 水平管稳定流动段煤粉输送流动阻力试验及计算.燃烧科学与技术 ():熊源泉 赵兵 沈湘林 高压煤粉密相气力输送水平管阻力特性.燃烧科学与技术 ():.():黄万杰 郭晓镭 代正华 等 宝钢 号高炉喷煤系统的压降模型.钢铁 ():华北电力设计院 等 输粉系统元件阻力特性试验研究.热力发电 ():万 雪编辑(上接第 页)遥控操作、无人驾驶、智慧调度、远程运维等智能化和信息化手段、促进“智能 ”模式的智能制造体系建设提供了前提条件 特别需要说明的是 蓄电池机车显著的社会效益和间接效益是在获得巨大的直接经济效益的同时实现的因此 钢铁企业在节能、环保的巨大压力下 面对钢铁行业碳达峰、碳中和的紧迫目标和钢铁制造绿色化、智能化的发展方向 采用新型蓄电池机车替代传统内燃机车 实现钢铁厂铁水运输牵引装备优化升级势在必行参考文献 陈发明 钢铁业将为碳达峰贡献什么.经济日报 ()上官方钦 周继程 王海风 等 气候变化与钢铁工业脱碳化发展.钢铁 ():蒋滨繁 夏德宏 陈映君 基于中国能流解析的钢铁工业终端节能重要性和潜力研究.冶金能源 ():张琦 沈佳林 许立松 中国钢铁工业碳达峰及低碳转型路径.钢铁 ():赵紫薇 孔福林 童莉葛 等 基于“”目标的中国钢铁行业二氧化碳减排路径与潜力分析.钢铁 ():崔志峰 徐安军 上官方钦 国内外钢铁行业低碳发展策略分析 .工程科学 学 报 ():刘志强 钢铁业 稳步迈向中高端.人民日报 ()中国钢铁工业协会 钢铁担当 开启低碳新征程推进钢铁行业低碳行动倡议书/.().:/./.郦秀萍 韩伟刚 张春霞 等 高炉转炉区段物质流运行优化.工程研究 跨学科视野中的工程 ():周继程 郦秀萍 韩伟刚 等 炼铁 炼钢界面模式与铁水罐多功能化技术.钢铁 ():尚国普 向春涛 段晓彤 等 铁钢界面“一罐到底”总图布置型式的研究及应用.中国冶金 ():黄帮福 田乃媛 施哲 等 .():万 雪 编辑冶 金 能 源