旋风炉内气固两相流动特性的数值模拟

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240029

摘要/Abstract

摘要：

为探究旋风炉在闪速还原炼铁技术中的应用状况与前景，气相采用欧拉模型，颗粒相采用DPM（discrete phase model）对旋风炉内气相流场和颗粒运动轨迹进行了数值模拟.分析了上升气体（熔融还原炉煤气）速度和铁矿粉粒度对气固两相流动特性的影响.结果表明：旋流场的切向速度在喷枪区域呈近似“凹”字形分布，在喷枪以上区域呈近似“M”形分布；上升气体速度由4 m/s增至8 m/s，气体切向速度最大值减小，铁矿粉捕集率由98.99%降至93.51%，但强旋湍流区逐渐上移，铁矿粉运动路径变长，更有利于其熔化和还原.此外，捕集率随着粒度的增大先减小后增大，但大粒度铁矿粉几乎不发生螺旋向上运动.

关键词: 旋风炉, 铁矿粉, 气固两相流, 切向速度

Abstract:

In order to explore the application status and prospects of cyclone furnaces in flash ironmaking technology， numerical simulations were conducted on the gas flow field and particle trajectories within the cyclone furnace using the Eulerian model and DPM， respectively. The effects of the rising gas（smelting reduction vessel gas）velocity and iron ore particle size on the characteristics of gas-solid two-phase flow were analyzed. The results show that the tangential velocity distribution of the vortex field approximately forms a “concave” shape in the lance region and an “M” shape in the region above the lance. As the rising gas velocity increases from 4 m/s to 8 m/s， the maximum tangential velocity of the gas decreases， and the capture rate of the iron ore particles decreases from 98.99% to 93.51%. However， the strong swirling turbulent region gradually moves upward， and the trajectory of the iron ore particles becomes longer， which is more conducive to the melting and reduction. In addition， the capture rate first decreases and then increases with increasing particle size， but the iron ore particles of large size hardly undergo upward spiral motion.

Key words: cyclone furnace, iron ore powder, gas-solid two-phase flow, tangential velocity

中图分类号:

TF 557

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图/表 17

图1 旋风炉示意图（a）—主视图；（b）—俯视图.

Fig.1 Schematic diagram of cyclone furnace

表1 物理模型几何参数

Table 1 Geometric parameters of physical model

参数	尺寸
炉高H/ m	6
炉径D/ m	3
喷枪直径Ф/ m	0.032
喷枪层间间距h/ m	0.250
铁矿粉喷枪径向夹角 $α$ / (°)	18.5
两类喷枪径向连线夹角 $β$ / (°)	35.0

表1 物理模型几何参数

Table 1 Geometric parameters of physical model

参数	尺寸
炉高H/ m	6
炉径D/ m	3
喷枪直径Ф/ m	0.032
喷枪层间间距h/ m	0.250
铁矿粉喷枪径向夹角 $α$ / (°)	18.5
两类喷枪径向连线夹角 $β$ / (°)	35.0

图2 旋风炉网格划分示意图

Fig.2 Schematic diagram of grid division for cyclone furnace

图3 不同网格数量下旋风炉Z=0 m纵截面上Y=4 m处二氧化碳气体速度

Fig.3 Carbon dioxide gas velocity at Y=4 m on Z=0 m longitudinal section of cyclone furnace with different grid numbers

图4 旋风分离器Y=0 m纵截面上Z=-0.2 m处切向速度

Fig.4 Tangential velocity at Z=-0.2 m on Y=0 m longitudinal section of cyclone separator

表2 不同算例中的主要操作参数 (cases)

Table 2 Main operating parameters of different

算例	$S R V 上升气体速度 m ⋅ s - 1$	$铁矿粉喷吹速率 m ⋅ s - 1$	$铁矿粉粒度 μ m$
Case 1	4	30	30
Case 2	6	30	30
Case 3	8	30	30
Case 4	8	30	100
Case 5	8	30	300

表2 不同算例中的主要操作参数 (cases)

Table 2 Main operating parameters of different

算例	$S R V 上升气体速度 m ⋅ s - 1$	$铁矿粉喷吹速率 m ⋅ s - 1$	$铁矿粉粒度 μ m$
Case 1	4	30	30
Case 2	6	30	30
Case 3	8	30	30
Case 4	8	30	100
Case 5	8	30	300

图5 旋风炉气体流线图（a）—上升气体速度4 m/s；（b）—上升气体速度6 m/s；（c）—上升气体速度8 m/s.

Fig.5 Gas streamline diagram of cyclone furnace

图6 上升气体速度为4 m/s时不同高度处的气体流线图（a）—左侧喷枪所在高度；（b）—右侧喷枪所在高度；（c）—喷枪以上各高度.

Fig.6 Gas streamline diagram at different heights when rising gas velocity is 4 m/s

图7 上升气体速度为6 m/s时不同高度处的气体流线图（a）—左侧喷枪所在高度；（b）—右侧喷枪所在高度；（c）—喷枪以上高度.

Fig.7 Gas streamline diagram at different heights when rising gas velocity is 6 m/s

图8 上升气体速度为8 m/s时不同高度处的气体流线图（a）—左侧喷枪所在高度；（b）—右侧喷枪所在高度；（c）—喷枪以上高度.

Fig.8 Gas streamline diagram at different heights when rising gas velocity is 8 m/s

图9 旋风炉Z=0 m处纵剖面上的气体流线图（a）—上升气体速度4 m/s；（b）—上升气体速度6 m/s；（c）—上升气体速度8 m/s.

Fig.9 Gas streamline diagram of cyclone furnace in longitudinal section at Z=0 m

图10 旋风炉X=0 m处纵剖面上的气体流线图（a）—上升气体速度4 m/s；（b）—上升气体速度6 m/s；（c）—上升气体速度8 m/s.

Fig.10 Gas streamline diagram of cyclone furnace in longitudinal section at X=0 m

图11 上升气体速度为4 m/s时切向速度在不同横截面径向位置上的分布（a）—左侧喷枪所在高度；（b）—右侧喷枪所在高度；（c）—喷枪以上各高度.

Fig.11 Distribution of tangential velocity at different cross-sectional radial positions when rising gas velocity is 4 m/s

图12 上升气体速度为6 m/s时切向速度在不同横截面径向位置上的分布（a）—左侧喷枪所在高度；（b）—右侧喷枪所在高度；（c）—喷枪以上各高度.

Fig.12 Distribution of tangential velocity at different cross-sectional radial positions when rising gas velocity is 6 m/s

图13 上升气体速度为8 m/s时切向速度在不同横截面径向位置上的分布（a）—左侧喷枪所在高度；（b）—右侧喷枪所在高度；（c）—喷枪以上各高度.

Fig.13 Distribution of tangential velocity at different cross-sectional radial positions when rising gas velocity is 8 m/s

图14 被旋风炉炉壁捕获的颗粒散点图（a）—上升气体速度4 m/s；（b）—上升气体速度6 m/s；（c）—上升气体速度8 m/s.

Fig.14 Scattering diagram of captured particles on wall of cyclone furnace

图15 旋风炉不同粒径颗粒运动轨迹（a）—30 μm主视图和侧视图；（b）—100 μm主视图和侧视图；（c）—300 μm主视图和侧视图.

Fig.15 Motion trajectory of particles with different sizes in cyclone furnace

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