『技术文献』大型高炉回旋区内气—固流动行为研究

高炉炼铁能耗占整个钢铁工业能耗的70%,在“双碳”背景下，降低高炉炼铁能耗是实现整个钢铁行业绿色、低碳、可持续发展的关键。

高炉风口回旋区不仅是高炉能量源，也是煤气源[4],其演化过程及稳定的形态结构对炉内整体气流分布、料层稳定下降及相间热质传递过程均至关重要。

回旋区内部高温高压的密闭环境限制了大量高炉运行的有用信息获取[5-6]。虽然高炉解剖研究可以确定回旋区形貌、周围孔隙度和焦炭粒径分布等[7],但无法定量表征鼓风过程中回旋区尺寸与风速之间的关系，特别是回旋区的动态演变过程。物理实验得到了各种回旋区理论计算模型[8-11],并将这些模型成功地应用于高炉回旋区尺寸的预测[12-14],但是物理实验研究很难得到回旋区内部速度场、温度场、焦炭颗粒状态等微尺度信息。在此背景下，研究者们提出了双流体数值模拟方法[15],该方法除了可以分析回旋区尺寸与鼓风参数的关系外，还可以从宏观连续尺度分析鼓风过程中回旋区内压力分布、速度分布、颗粒运动等。双流体数值模拟方法虽然能在一定程度上解决物理实验中的问题，但基于上述连续介质的假设，很难处理颗粒尺度上的动力学和接触力学等重要问题。基于欧拉—拉格朗日框架的离散元法模拟可以克服这一缺陷，并成功应用于高炉鼓风过程的模拟[16-20],但基于实际高炉鼓风参数条件下的气固耦合研究较少，尤其是对大型高炉鼓风过程中回旋区动态演变过程、气固平衡状态、焦炭颗粒接触特性及流化状态等少有关注。实际上，不同的鼓风速度及鼓风面积对回旋区形貌及内部焦炭颗粒流态化影响较大，需要进一步系统深入地研究。

文中采用 ＣＦＤ － ＤＥＭ 耦合方法对 ３ ２００ ｍ３高炉回旋区形成过程进行了数值模拟。通过ＤＥＭ 将颗粒相信息传递给流体相， ＣＦＤ 将颗粒对流体的作用信息添加到欧拉模型， 再通过曳力传递回颗粒相。系统研究了鼓风过程中回旋区动态演变过程及气固平衡特性， 包括回旋区内气固速度分布、 体积分布、 焦炭颗粒接触特性等， 并重点分析了焦炭颗粒流态化机理。

采用欧拉—拉格朗日框架的 ＣＦＤ － ＤＥＭ 耦合方法［２１］， 模拟高炉回旋区内的多相流动过程。流体的动力学行为采用 ＣＦＤ 计算， 颗粒运动和颗粒间碰撞采用 ＤＥＭ 计算。

1.1气相控制方程

流体运动过程中质量和动量守恒方程可表示为：

１. ３ ＣＦＤ － ＤＥＭ 耦合模型

整个计算求解过程建立在瞬态双向传递数据的基础上。在给定时间步长 Δｔ 内 ＤＥＭ 求解器首先获取各个颗粒的位置、 速度、 体积和温度等信息， 并根据这些信息计算网格内的空隙度及流体对颗粒作用力。颗粒受力信息反馈至流体， 并添加到动量控制方程中。

1.4模型及边界条件

根据国内某3200m3高炉建立1∶10二维狭槽模型，尺寸如图1所示。颗粒相计算时，假定模型的壁面属性与颗粒的属性一致，壁面均设置为无滑移壁面。根据实际风口前焦炭取样得到颗粒的粒径分布，如表1所示，假设焦炭粒径均匀，按1∶10比例缩小后平均粒径取2mm。

模拟过程中根据实际鼓风参数及焦炭颗粒属性（如表2所示），以及根据实际高炉鼓风流量可得模型鼓风速度为vg=60m/s。为了与生产实际保持一直，模拟过程中初始鼓风速度定义为随模拟时间变化的函数。时间从0s增加到0.5s的过程中，鼓风速度从0m/s逐渐增加到75m/s。回旋区稳定后采用恒定鼓风速度，在0.5s颗粒达到流化状态后风速降至60m/s以维持相对稳定的回旋区形貌[24]。

2.1模型验证

准确性，将模拟得到的不同速度下回旋区深度与Flint等人[25]的研究结果进行了比较，呈现较好的一致性，如图2所示。此外，模拟结果与沈等人[26]和Santana等人[27]的研究结果非常相似，即从风口鼓入高速流动的空气，形成羽状空腔，其高度大于深度。这些均充分证明了模型的可靠性。

2.2回旋区演变过程

高炉回旋区是一次煤气流的发源地，其形貌特征直接影响煤气流分布和炉缸活跃程度。回旋区深度及高度随着时间的变化规律如图3所示。回旋区的高度和深度随时间变化分为三个阶段：模拟时间0~0.5s为初始鼓风阶段，气体不断将焦炭颗粒推向炉缸中心，形成致密化程度较高的鸟巢结构，使得气体向上流动，回旋区高度增加了20mm,深度增加了5mm,即回旋区高度的增量大于深度的增量；模拟时间0.5~0.6s为回旋区形成阶段，当曳力大于重力时，回旋区逐渐形成，回旋区高度和深度同时增加了25mm,即回旋区深度和高度的变化基本相同；模拟时间0.6s后为回旋区稳定阶段，回旋区内气固相间力达到平衡，回旋区的高度和深度不再随着时间变化，回旋区高度保持在40mm,深度保持在30mm,形成上翘的椭圆状结构，这与文献[28-30]的研究结果相似。

为了分析回旋区演化过程中焦炭颗粒接触状态，研究了回旋区演变过程中焦炭颗粒配位数的概率分布函数，如图4所示。配位数(CN)定义为与某一颗粒接触的周围颗粒总数，是表征颗粒群体致密化程度的重要参数之一[31]。由图可知，回旋区内焦炭颗粒配位数呈正态分布，鼓风时间为0.4s时回旋区焦炭颗粒体系的配位数峰值在5附近。随着鼓风时间的增加，配位数小于5的分布增多，大于5的分布减少，表明较多接触的致密结构在回旋区形成过程逐渐减少。与此同时，回旋区焦炭颗粒结构的概率分布函数曲线向左移动，约在配位数4处达到峰值，表明由于鼓风动能的输入，颗粒之间的接触普遍减少，整个回旋区内焦炭床结构也从密排向松排转变。这说明回旋区尺寸增大以后，气流与焦炭颗粒的接触机率增加，回旋区边缘焦炭颗粒趋于流态。

2.3风口面积对回旋区内焦炭颗粒状态的影响

气固系统中颗粒运动行为与曳力密切相关。为了进一步分析气体动能带来的曳力变化对回旋区演化过程中颗粒流动行为的影响，研究了不同鼓风速度及风口面积下颗粒所受曳力的变化规律，如图5所示。初始鼓风阶段（模拟时间00.5s),气体与颗粒相互作用的曳力从0mg(mg为单个颗粒重力）逐渐增大到25mg,但鼓风参数对曳力影响不明显。回旋区稳定阶段，每种工况下颗粒所受曳力都不再随鼓风时间变化；当风口面积为169mm2时，随着鼓风速度由40m/s增大到60m/s,曳力由4mg逐渐增加到8mg;当风口面积为182mm2时，随着鼓风速度由40m/s增大到60m/s,曳力由4.5mg逐渐增加到8.5mg。所以，增大鼓风速度和风口面积都可以使焦炭颗粒获得更多的动能，使相互锁定的焦炭颗粒产生运动，有利于提高焦炭床的透气性。

为了进一步表征鼓风过程中颗粒间的相互作用机制，研究了稳定阶段不同风口面积下回旋区内焦炭颗粒接触力的概率分布函数，如图6所示。回旋区附近焦炭颗粒接触力在1×10-4~30×10-4N。风口面积越大，颗粒之间强接触力占比越低。这说明增大风口面积有利于阻断焦炭床中力的网络，促进颗粒的流态化。实际生产过程中在保证鼓风速度不变的前提下，可以采用增大风口面积来提高死料柱的透气性，从而发展中心为了分析风口面积对回旋区内焦炭颗粒流态化的影响，研究了不同风口面积下，回旋区内颗粒配位数的分布规律，如图7所示。由图可知，焦炭颗粒配位数为4和5的占比最高，说明体系中单个焦炭颗粒周围有4或5个颗粒与之接触的现象最普遍。同时还存在一部分焦炭颗粒配位数为0的区域，这部分颗粒主要是风口正上方下落的焦炭和回旋区边缘的焦炭。随着风口面积的增大，焦炭颗粒低配位数(0、1、2)占比升高，高配位数(4、5)占比降低，说明增大风口面积会加剧回旋区内颗粒流态化。

文章采用CFD-DEM耦合的方法模拟了高炉回旋区内焦炭颗粒动力学过程，对回旋区形成过程及流态化现象进行了讨论，并且系统地分析了回旋区气体与颗粒、颗粒与颗粒之间力的演变规律。

(1)鼓风过程中风口前焦炭床致密化程度逐渐增大，导致气流带动焦炭床边缘颗粒向上运动，致使初始鼓风阶段回旋区高度的增量大于深度的增量。与此同时，回旋区形成过程中趋于流态化的焦炭颗粒逐渐增多，直到回旋区稳定后不再发生变化。

(2)增大鼓风速度和风口面积都会使回旋区内气—固之间的曳力增大，从而提高焦炭颗粒的动能，使相互锁定的焦炭颗粒产生运动，有利于提高焦炭床的透气性。

(3)同一速度下风口面积的增大使鼓风总动能增大、回旋区内焦炭颗粒接触力减弱、接触概率降低，加剧回旋区焦炭颗粒流态化程度