Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива

Установлено влияние концентрации порошка на силу межфазного взаимодействия в потоке газовзвеси при изменении формы частиц, плотности порошка, давления в фурменном очаге, диаметра форсунки, нагрева несущего газа с помощью численных расчетов течения пылеугольного топлива в форсунках доменной печи....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Косолап, Н.В., Куземко, Р.Д.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2013
Schriftenreihe:	Металл и литье Украины
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143757
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива / Н.В. Косолап, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 8. — С. 7-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-143757
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1437572018-11-11T01:23:47Z Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива Косолап, Н.В. Куземко, Р.Д. Установлено влияние концентрации порошка на силу межфазного взаимодействия в потоке газовзвеси при изменении формы частиц, плотности порошка, давления в фурменном очаге, диаметра форсунки, нагрева несущего газа с помощью численных расчетов течения пылеугольного топлива в форсунках доменной печи. Встановлено вплив концентрації порошку на силу міжфазної взаємодії в потоці газової суспензії за умови зміни форми частинок, щільності порошку, тиску у фурменому вогнищі, діаметра форсунки, нагріву несучого газу за допомогою чисельних розрахунків течії пиловугільного палива в форсунках доменної печі. Numerical calculations of the pulverized fuel (flow in the nozzle blast furnace) possible to establish the concentration of the powder affects the strength of the interfacial interaction of the gas suspension flow under the condition that alters the particle shape, density of the powder, the pressure in the hearth tuyere diameter nozzle, heating the carrier gas. 2013 Article Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива / Н.В. Косолап, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 8. — С. 7-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143757 669.162.2 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Установлено влияние концентрации порошка на силу межфазного взаимодействия в потоке газовзвеси при изменении формы частиц, плотности порошка, давления в фурменном очаге, диаметра форсунки, нагрева несущего газа с помощью численных расчетов течения пылеугольного топлива в форсунках доменной печи.
format	Article
author	Косолап, Н.В. Куземко, Р.Д.
spellingShingle	Косолап, Н.В. Куземко, Р.Д. Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива Металл и литье Украины
author_facet	Косолап, Н.В. Куземко, Р.Д.
author_sort	Косолап, Н.В.
title	Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива
title_short	Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива
title_full	Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива
title_fullStr	Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива
title_full_unstemmed	Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива
title_sort	исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2013
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143757
citation_txt	Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива / Н.В. Косолап, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 8. — С. 7-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series	Металл и литье Украины
work_keys_str_mv	AT kosolapnv issledovaniemežfaznogovzaimodejstviâvpotokevduvaemogočerezforsunkupyleugolʹnogotopliva AT kuzemkord issledovaniemežfaznogovzaimodejstviâvpotokevduvaemogočerezforsunkupyleugolʹnogotopliva
first_indexed	2025-07-10T17:55:50Z
last_indexed	2025-07-10T17:55:50Z
_version_	1837283575287775232
fulltext	� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 УДК 669.162.2 Н. В. Косолап, Р. Д. Куземко* ПАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича», Мариуполь *Приазовский государственный технический университет, Мариуполь Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива Установлено влияние концентрации порошка на силу межфазного взаимодействия в потоке газовзвеси при изменении формы частиц, плотности порошка, давления в фурменном очаге, диаметра форсунки, нагрева несущего газа с помощью численных расчетов течения пылеугольного топлива в форсунках доменной печи. Ключевые слова: топливная форсунка, межфазное взаимодействие, массовая концентрация В ведение. Одной из главных научных, технологи- ческих и экономических проблем, существующих в современной черной металлургии, является замена природного газа пылеугольным топливом (ПУТ) при производстве чугуна, что дает возмож- ность снизить почти вдвое расходы кокса�� Накоп- ленный опыт использования угля вместо природного газа и кокса в доменной плавке показал, что правиль- ное сжигание пылеугольного топлива в фурменном очаге и его степень сгорания существенно зависят от места установки, конструкции топливной форсунки, а также режима ее работы�� В условиях ограниченного пространства (размером менее 2,0×1,3 м) фурмен- ного очага доменной печи горелка-форсунка оказы- вает решающее влияние на аэродинамику полета и кинетику процесса окисления частиц угля�� Поэтому возникает потребность в проведении более точных исследований, важных для фурменного очага, то есть в установке газодинамических особенностей высокоскоростной порошковой струи в выходном се- чении форсунки�� Главной из основных физических воздействий на поток при течении газодисперсного потока в кана- лах типа трубы, фурмы или форсунки является си- ла межфазного взаимодействия F12 [1]�� В данной работе в основном приведены распределения пара- метров вдоль форсунки длиной l�� Расчеты авторов показали, что при массовой концентрации порошка µ = 20-80 кг/кг, которую поддерживают в технологии ПУТ, эта сила в несколько раз больше, чем силы тре- ния газа F1w и частиц F2w о стенку форсунки�� Сила F12 входит в уравнения движения и энергии, записанных пофазно, однако в работе [1] не рассмотрено влия- ние многих реально существующих факторов на F12�� Недостаток работы [2] заключается в том, что в ней исследовано влияние различных воздействий на распределение параметров газодисперсного потока по длине пневмотрассы системы ПУТ, но газопорош- ковое течение в форсунке не рассмотрено�� Теория движения угольного порошка в форсунках высокого давления (на входе – 0,6-1,0 МПа, на выхо- де – до 0,4) еще не разработана, так как в промыш- ленности их начали применять только в последнее время�� Постановка задачи. В настоящем исследовании авторы развивают идеи, изложенные в работе [1]�� Задача исследования – определение силы F12 взаимодействия между несущей и твердой фазами газовзвеси, которую находили путем решения сис- темы дифференциальных уравнений движения и энергии, а также многих алгебраических уравнений в реальных условиях работы топливной форсунки, причем примеры приведены для доменных печей ПАО «ММК им�� Ильича»�� Цель работы – выявить и обсудить влияние кон- центрации порошка µ, размера частиц δ, плотности частиц ρ2, давления рфо в фурменном очаге, тем- пературы газа t1 в выходном сечении на силу меж- фазного взаимодействия F12 в потоке пылеуголь- ного топлива, который подается через форсунку в до- менную печь, при заданном размере форсунки, рас- ходе пылеугольного топлива m2 и несущего газа VН�� Физическая модель. По форсунке, представля- ющей собой цилиндрическую трубу длиной l и внут- ренним диаметром D, перемещается газовзвесь – пылеугольное топливо с эквивалентым диаметром частиц δ�� Так как режим истечения дозвуковой, то давления в выходном сечении форсунки и фурмен- ном очаге равны (p1 = pфо)�� По закону обращения воздействия дозвуковой поток в форсунке ускоря- ется и, по мере приближения к срезу цилиндри- ческой трубки, разность скоростей (∆w = w1 – w2) между газоносителем и частицей возрастает�� Так, например, при малой концентрации µ (10 кг/кг), вы- сокой температуре (t1 = 400 °С) и больших разме- рах частиц (δ = 0,2 мм) ∆w достигает 230 м/с�� Если число Рейнольдса двухскоростного потока Re12 = = (w1 – w2) δ / ν > Reкр, то при обтекании каждой из z-частиц возникает сложная вихревая структура (рис�� 1)�� Так, если диаметр форсунки D = 12 мм, а частицы δ = 0,1 мм и сечение трубки заполнено порошком только наполовину, то количество час- тиц в одном сечении трубки составляет 7200 шт (z = Sтруб/Sшар = 122 / (2 · 0,12))�� Возникает сложный процесс взаимодействия газа-носителя и части- цы�� Влияние факторов на силу взаимодействия F12 между несущим газом и монодисперсной примесью изучили в настоящей модели�� МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 Математическая модель. Система уравнений квазиодномерного, квазистационарного двухфазного течения в двухскоростном, двухтемпературном при- ближении имеет следующий вид [1]: – уравнение совместного движения фаз 1 12 1 1 11 1= + cosw dw dp G F F g dx dx ε ε ρ α– – – ; (1) – уравнение движения твердой примеси – – 2 2 2 12 2 2 2= + + cosw dw dp G F F g dx dx ε ε ρ α ; (2) – уравнение энергии для несущего газа 1 2 1 1 12 12 1 21 ( )p w wd G c T + = Q Q + F w w dx 2        – – �� (3) Аналогично выглядит уравнение энергии для пылеугольного топлива�� В уравнениях (1)-(3) и в дальнейшем приняты следующие обозначения: G1, G2 – приведенные мас- совые расходы несущего газа и пылеугольного топ- лива, кг/(с·м2); w1, w2 – скорость несущего газа и по- рошка, м/с; ψ = w2/w1 – коэффициент скоростного запаздывания частицы; p – статическое давление в потоке газовзвеси, Па; ρ1, ρ2 – плотность газа и частиц порошка, кг/м3; m1 = ρнVн – массовый расход газоно- сителя, кг/с; ρн – плотность газа при нормальных фи- зических условиях (н�� у��), кг/м3; Vн – расход несущего газа (н�� у��), м3/с; m2 – массовый расход порошка, кг/с; µ = m2/m1 – массовая концентрация порошка в смеси, кг/кг; ε1, ε2 – местная обьемная доля газовой и твер- дой фаз в смеси, причем -1 1 1 2= (1 + ( / )( / ))ε µ ψ ρ ρ ; / / -1 2 2 1= (1 + ( )( ))ε ψ µ ρ ρ ; F1w, F2w – потери импуль- са за счет взаимодействия газа и частиц со стенкой форсунки, Н/м3; F12 – сила межфазного взаимодей- ствия, Н/м3; ср – массовая изобарная теплоемкость газоносителя, Дж/(кг·К); Т1 – статическая температу- ра несущего газа, К; Q1w – количество теплоты, ко- торое передается конвекцией от стенки форсунки к несущему газу, Вт/м3; Q12 – количество теплоты, ко- торое передается конвекцией от несущего газа к час- тицам, Вт/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Re12 = (w1 – w2) δ / ν – число Рейнольдса двухско- ростного потока; δ – диаметр час- тиц, м; ν – коэффициент кинемати- ческой вязкости несущего газа, м2/с; R – газовая постоянная, Дж/(кг·К); S – поверхность частицы, м2�� Ин- дексы относятся к параметрам: 1 – несущего газа; 2 – частицы; 12 – газовзвеси; w – стенки; x – координата вдоль оси форсунки�� Для несущего газа уравнение состояния использовали в форме 1 1=p R Tρ , (4) где R – газовая постоянная газо- носителя, Дж/(кг·К)�� Уравнения неразрывности для несущего газа и дисперсной при- меси имеют вид 1 11 1=G wε ρ ; 2 2 22 =G wε ρ �� (5) Дисперсная примесь считается монодисперсной�� Замыкающие соотношения. Силу межфазного взаимодействия несущего газа и частиц диаметром δ определяли [1] по формуле 12 1 2 1 2 1 2= 0 , 75 ( ) /DF C w w w wρε δ– – �� (6) Как и в работе [3], коэффициент аэродинамиче- ского сопротивления СD рассчитывали по формуле 12 12= 24(1 , 25 + 0 , 01926 R e / R e)D f dC k k kε . (7) Влияние формы частиц и концентрации твердой фазы ε2 учитывали поправочными множителями kf = 12,4 – 11,4 / f; f = S / Sшар; -4 ,75 2= (1 )k ε ε– �� (8) При D / δ > 10 влияние стесненности можно не учитывать, kd = 1�� Входящие в уравнения (1) и (2) слагаемые F1w, F2w, характеризующие потери импульса газа и частиц на трение о стенку трубы, рассчитывали по формуле 2 = 2 i i i i iw w F D ζ ε ρ , (9) где ζі – коэффициент потери на трение газа и частиц о стенку; D – внутренний диаметр форсунки, м�� Граничные условия. На входе в фурму (х = 0) задавали температуру газа и дисперсной примеси Т1 = Т0, Т2 = btТ0, где (bt < 1) – число, характеризу- ющее тепловую неравновестность�� При известных расходах фаз G1, G2 значения их скоростей и дав- ление на входе не задавали�� Необходимо лишь за- дать коэффициент скоростного запаздывания частиц 2 1 = 0= ( ) < 1xw wψ / , который, как и bt, в дальней- шем вычисляли в каждом поперечном сечении фор- сунки�� На выходе из форсунки задавали только дав- ление pфо в фурменном очаге�� Дифференциальные уравнения (1)-(3) заменяли разностными по схеме Рунге-Кутта четвертого поряд- ка аппроксимации�� Для расчета использовали метод стрельбы, который реализовывали следующим спо- собом�� Задавали некоторое произвольное значение давления на входе в фурму рN > pфо�� По разностным уравнениям вычисляли значения сеточных функций�� Значение давления, полученное в последней точке Рис. 1. Структура газодисперсного течения при двухскоростном движении газа и еди- ничной частицы: 1 – несущий газ; 2 – шаровая частица; 3 – мелкомасштабные вихри; 4 – крупномасштабные вихревые образования 1 2 3 4 � �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 pN, сравнивали с pфо�� Если \|∆p\| = \|pN – pфо\| = 0,005, – вычисления прекращали, а иначе – итерации про- должали�� Исходные данные и результаты расчета. Рас- четы выполнены для конкретных форсунок, которые в количестве ~100 шт установленны на 5 печах ПАО «ММК им�� Ильича»�� Исходные данные следу- ющие�� Внутренний диаметр горизонтально уста- новленной форсунки D = 12 мм, а ее длина – l = 2,15 м�� Расход несущего газа (азот) при н�� у�� Vн = 35 м3/ч, расход m2 пылеугольного топли- ва изменяли в диапазоне 14,6-58,0 кг/мин, чему соответствовала концентрация порошка угля µ = 20-80 кг/кг�� Эквивалентный диаметр частиц принимали δ = 0,08 мм, плотность порошка – ρ2 = 1700 кг/м3 (кроме результатов, представленных на рис�� 3)�� Высота выступов шероховатости на внут- ренней поверхности трубки форсунки составляла ∆ = 0,02 мм�� Расчеты вели при условии, что в выход- ном сечении форсунки газ нагревался до темпера- туры t1 = 400 °С (кроме результатов на рис�� 6)�� Абсо- лютное давление в фурменном очаге поддерживали в диапазоне pфо = 0,35-0,47 МПа�� В настоящей рабо- те все расчеты выполнили с целью определить па- раметры в наиболее значимом (выходном) сечении форсунки, хотя используя настоящую модель такие же расчеты можно провести для совершенно произ- вольного сечения на длине l форсунки типа трубы, фурмы или сопла�� Далее рассмотрено влияние наиболее значимых факторов, а также физических воздействий на силу F12 и другие параметры газовзвеси�� Форма частиц. На рис�� 2 видно, что с ростом ко- эффициента формы f сила F12 повышается при лю- бом значении µ�� Так, например, если при µ = 60 кг/кг, а коэффициент формы увеличивается с f = 1,0 (шар) до 1,9 (ближе к пластине), то F12 возрастает с 0,25 до 1,75 МН/м3 (в 7 раз)�� Действительно, при возрастании коэффициента f разность скоростей ∆w снижается и коэффициент скоростного запаздывания ψ повыша- ется, что приводит к уменьшению ε2 при µ = const�� Например, если µ = 40 кг/кг и коэффициент f увели- чивается с 1,0 до 1,9, то скорость порошка w2 умень- шается с 84 до 79 м/с, а скорость газа w1 снижается со 105 до 85 м/с�� Кроме того, из-за увеличения па- русности частицы коэффициент ψ повышается с 0,8, (при f = 1,0) до 0,92 (при f = 1,9)�� Таким образом, при увеличении парусности частиц, несмотря на сниже- ние ε2 и ∆w, рост CD приводит к значительному воз- растанию F12�� Уменьшение w1 при увеличении f происходит из-за роста диссипации при разгоне частиц, форма которых отличается от шара�� Плотность порошка ρ2. Плотность ρ2 суще- ственно влияет на силу F12 (рис�� 3), а именно: при δ = const рост ρ2 с 1400 до 1700 кг/м3 приво- дит к снижению количества частиц в 1,2 раза (z = ρ2 1700 / ρ2 1400) и уменьшению поверхности трения�� Если плотность ρ2 увеличивается, то возрастает ∆w, повышается число Рейнольдса Re12, уменьшается CD�� В то же время коэффициент скоростного запаз- дывания ψ снижается медленнее, чем растет плот- ность порошка ρ2, и поэтому для приведенного при- мера объемная доля твердой фазы ε2 будет умень- шаться�� Так, например, при µ = 60 кг/кг увеличение ρ2 с 1400 до 1700 кг/м3 приводит к уменьшению коэффициента скоростного запаздывания с 0,94 (ψ = w2/w1 = 82/87) до 0,84 (ψ = w2/w1 = 84/99), то есть в 1,12 раз�� Таким образом, в формуле для ε2 плотность ρ2 изменяется быстрее, чем коэффициент ψ�� По Рис. 2. Влияние концентрации порошка µ и коэффициента формы f на силу межфазного взаимодействия F12 (—) и скорость несущего газа w1 (– –): δ = 0,08 мм; l = 2,15 м; ρ2 = 1700 кг/м3; m2 = 20-80 кг/мин; Vн = 35 м3/ч; рфо = 0,35 МПа; t1 = 400 °С; D = 12 мм 1,0 1,3 1,6 f 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 F12, МН/м3 w1, м/c 80 60 40 µ = 20 кг/кг 110 100 90 80 80 60 40 20 Рис. 3. Влияние концентрации µ и плотности порошка ρ2 на силу межфазного взаимодействия F12 (—) и объемную концентра- цию газовой фазы ε1 (– –): δ = 0,08 мм; l = 2,15 м; ρ2 = 1700 кг/м3; m2 = 20-80 кг/мин; Vн = 35 м3/ч; рфо = 0,35 МПа; t1 = 400 °С; D = 12 мм 20 40 60 µ, кг/кг 2,0 1,0 0 F12, МН/м3 ε1 ρ2 = 1700 кг/м3 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 1600 1700 1500 1400 1600 1500 1400 10 11МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’201310 11МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 этой причине ε2 снижается, но из-за роста величины скольжения фаз ∆w на разгон частицы одного и того же размера, но большей массы требуется затратить большую силу F12�� Давление рфо в фурменном очаге. Известно, что для Алчевского меткомбината приобретены осевые компрессора, способные развивать абсолютное дав- ление до 0,5 МПа�� Увеличение давления в доменной печи – одно из компенсирующих мероприятий, кото- рые приводят к уменьшению доли кокса и повыше- нию газопроницаемости шихты�� Так как истечение из форсунки дозвуковое, то давление р1 на срезе трубки и в фурменном очаге рфо одинаковые, р1 = рфо�� По приведенным на рис�� 4 данным можно сде- лать вывод о том, что, например, при давлении рфо = 0,35 МПа повышение концентрации порошка µ с 20 до 80 кг/кг приводит к увеличению F12 с 0,2 до 0,63 МН/м3�� Чем выше рфо, тем ниже сила F12 при лю- бом значении µ�� Так, при µ = 40 кг/кг увеличение рфо с 0,35 до 0,47 МПа приводит к уменьшению F12 с 0,38 до 0,09 МН/м3�� Это объясняется тем, что с увеличени- ем рфо снижается ∆w, а также связанное с ним число Re12, увеличиваются CD, ε2, ρ1, а поэтому и сила F12�� Как следует из определения, объемная доля газовой фазы ε1 с ростом µ всегда снижается�� Диаметр форсунки D. Численные расчеты пока- зали, что при одной и той же концентрации µ сни- жение диаметра форсунки D при (m1, m2, δ) = const приводит к росту силы F12 (рис�� 5)�� Это объясняется тем, что в этих условиях из-за повышения ∆w число Рейнольдса Re12 растет, коэффициент аэродинами- ческого сопротивления СD падает, коэффициент ско- ростного отставания частиц ψ снижается и по этой причине ε2 возрастает�� Но решающее влияние на си- лу F12 оказывает ∆w�� Зависимость F12(µ) была объяснена при анали- зе результатов расчета, представленных на рис�� 6�� Снижение скорости w2 частиц порошка с увеличе- нием концентрации µ легко объяснить, анализируя уравнение неразрывности w2 = m2 / (0,785ε2ρ2D2) для дисперсной примеси (рис�� 5)�� Из уравнения следует, что скорость частиц w2 при (D, ρ2) = const зависит от ε2, которая является функцией мно- гих переменных (а в самом простом случае 0 0,5 1 1,5 2 2,5 1 1,3 1,6 1,9 80 90 100 110 120 w 1 , /F 12, / 3 f µ = 20 / 80 60 80 60 20 40 40 .2. f F12 ( ) w1 ( – – ). : = 0,08 , , l = 2,15 , 2 = 1700 / 3, m2 = 20 – 80 / , V = 35 3/ , =0,35 , t1 = 400 , D=12 . Рис. 4. Зависимость силы межфазного взаимодействия F12 (—) и объемной доли газовой фазы ε1 (– –) от концентрации µ по- рошка и давления рфо в фурменном очаге: δ = 0,08 мм; l = 2,15 м; ρ2 = 1700 кг/м3; m2 = 20-80 кг/мин; Vн = 35 м3/ч; рфо = 0,35 МПа; t1 = 400 °С 0 20 40 60 µ, кг/кг 0,6 0,4 0,2 0 F12, МН/м3 ε1 рфо = 0,35 МПа 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,35 0,40 0,41 0,47 0,40 0,41 0,47 Рис. 5. Влияние концентрации порошка µ и диаметра форсунки D на силу межфазного взаимодействия F12 (—) и скорость частицы w2 (– –): δ = 0,08 мм; l = 2,15 м; ρ2 = 1700 кг/м3; m2 = 20-80 кг/мин; Vн = 35 м3/ч; рфо = 0,35 МПа; t1 = 400 °С 0 20 40 60 µ, кг/кг 1,5 1,0 0,5 0 F12, МН/м3 w2, м/с D = 8 мм 125 85 45 5 14 12 10 8 10 12 14 Рис. 6. Влияние концентрации порошка µ и температуры не- сущего газа t1 на силу межфазного взаимодействия F12 (—) и объемную концентрацию газовой фазы ε1 (– –) в выходном сечении форсунки: δ = 0,08 мм; l = 2,15 м; ρ2 = 1700 кг/м3; m2 = 20-80 кг/мин; Vн = 35 м3/ч; рфо = 0,35 МПа; D = 12 мм 2,0 1,0 0 F12, МН/м3 ε1 t1 = 600 ºС 0,98 0,95 0,92 0,89 200 400 600 50 50 200 400 0 20 40 60 µ, кг/кг 10 11МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’201310 11МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 ε2 (ψ, µ, ρ1, ρ2)), причем в данном случае ((ρ1, ρ2) = = const) ψ изменяется незначительно�� Расчеты по- казали, что при всех прочих равных условиях из- менение m2 менее существенно, чем ε2�� Поэтому, чем больше µ, тем выше ε2 и ниже скорость частиц порошка w2�� Нагрев газоносителя. По данным рис�� 6 можно сделать вывод о том, что чем больше концентрация порошка µ, тем выше сила межфазного взаимодей- ствия F12 при любой температуре t1 несущего газа в выходном сечении форсунки�� Например, при увели- чении µ с 20 до 80 кг/кг (t1 = 400 °С) сила F12 возраста- ет с 0,8 до 2,2 МН/м3, то есть в 2,75 раз�� Что касается зависимости ε1 (µ), то, как следует из определения ε1, с повышением µ объемная доля газовой фазы уменьшается, а сила F12 возрастает при любой тем- пературе t1�� Влияние нагрева газа на силу F12 и параметры газовзвеси в выходном сечении форсунки можно объяснить следующим: с повышением t1 резко уве- личивается коэффициент кинематической вязкости ν азота и еще больше повышается разность скоро- стей ∆w = w1 – w2�� Так, при нагреве азота от 50 до 400 °С при р = 0,4 МПа коэффициент кинематической вязкости возрастает в 3,48 раз (ν400/ν50 = 15,83/4,55), а число Рейнольдса двухскоростного потока Re12 и коэффициент аэродинамического сопротивления СD изменяются незначительно�� В то же время, с нагре- вом газа понижается коэффициент скоростного за- паздывания ψ�� Например, при нагреве азота с 50 (t1) до 400 (t11) °С, коэффициент ψ уменьшается с 0,90 (ψ = w1/w2 = 57/63) до 0,73 (ψ = 77/105)�� Таким об- разом, с нагревом газоносителя разность скоростей фаз ∆w (формула (6)) и СD растут быстрее, чем сни- жается ε2 и ρ1 , что и приводит к росту силы F12 (t1)�� Адекватность модели. Учитывая, что провес- ти эксперимент на срезе форсунки, находящейся в фурменном очаге доменной печи, затруднительно, правильность численных расчетов можно проверить, применив метод частных случаев, доказательства достоверности которых не требуется – они очевид- ны�� Так, если: – коэффициент f → 1 и форма частицы стремится к шарообразной, имеющей наименьшее сопротивле- ние, то F12 → Fmin (рис�� 2); – поток больше загружается порошком (выше кон- центрация µ), то скорость w1 несущего газа падает при любом значении f (рис�� 2, пунктир); – концентрация порошка µ → 0, то взаимодей- ствие между фазами исчезает и cила F12 → 0 при любых значениях температуры t1, диаметра D, дав- ления pфо, коэффициента формы f (рис�� 3-6); – μ → 0, то есть расход порошка m2 → 0, то мест- ная объемная доля газовой фазы ε1 → 1 при любых всех прочих равных условиях (рис�� 3, 4, 6)�� Выводы В развитие теории газодисперсного течения в металлургии разработана методика определения самой основной из действующих на газопорошковое течение в топливной форсунке доменной печи сил – силы межфазного взаимодействия F12, величина которой зависит от ~15 переменных�� Влияние факторов и физических воздействий на силу F12 впервые найдено не на основании исполь- зования статической модели, а путем решения сис- темы дифференциальных уравнений движения и теплообмена между фазами, а также многих замы- кающих соотношений, что является более строгим научным подходом�� Установлено, что при увеличении концентрации порошка µ в реальном режиме работы форсунки до- менной печи, например, в 4 раза сила межфазного взаимодействия F12 возрастает в 3-7 раз в зависи- мости от коэффициента формы частиц f, плотности порошка ρ2, давления рфо в фурменном очаге, диа- метра форсунки D, температуры t1 нагрева газоно- сителя�� ЛИТЕРАТУРА 1�� Косолап Н. В., Куземко Р. Д. Исследование газодисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь // Металл и литье Украины�� – 2013�� – № 1�� – С�� 15-19�� 2�� Косолап Н. В., Харлашин П. С., Куземко Р. Д. Моделирование подачи высокоплотного потока угольной пыли в доменную печь // Сталь�� – 2010�� – № 1�� – С�� 13-17�� 3�� Кузнецов Ю. М. Газодинамика процессов вдувания порошков в жидкий металл�� – Челябинск: Металлургия, 1991�� – 160 с�� Косолап М. В., Куземко Р. Д. Дослідження міжфазної взаємодії в потоці пиловугільного палива, що вдувається через форсунку Встановлено вплив концентрації порошку на силу міжфазної взаємодії в потоці газової суспензії за умови зміни форми частинок, щільності порошку, тиску у фурменому вогнищі, діаметра форсунки, нагріву несучого газу за до- помогою чисельних розрахунків течії пиловугільного палива в форсунках доменної печі. Анотація 12 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’201312 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 8 (243) ’2013 Kosolap N. V., Kuzemko R. D. Research interfacial interaction in the flow of injected pulverized coal through a nozzle Numerical calculations of the pulverized fuel (flow in the nozzle blast furnace) possible to establish the concentration of the powder affects the strength of the interfacial interaction of the gas suspension flow under the condition that alters the particle shape, density of the powder, the pressure in the hearth tuyere diameter nozzle, heating the carrier gas. Summary oil burner, interfacial interaction, mass concentrationKeywords Поступила 19��08��13 паливна форсунка, міжфазна взаємодія, масова концентраціяКлючові слова ВниманиЮ аВТОРОВ! В редакцию журнала «Металл и литье Украины» принимаются рукописи на русском языке и при наличии номера УДК�� Статьи обязательно должны содержать на 3-х языках (русском, украинском и английском) фамилии, имена, отчества авторов, название статьи, аннотации, ключевые слова Статьи должны поступать в редакцию на бумажном (по почте, с подписями всех соавторов) и в электронном виде�� Объем статьи – не более 10 стр��, рисунков – не более 5�� На рисунках слова, обозначения и цифры (курсив), должны быть набраны одним шрифтом (Arial, 9)�� Формулы (кроме их пояснений в тексте) набирать в Math Type (Arial, 11): русские – прямым, английские буквы – курсивом, греческие – Symbol, 12, прямыми; обозначения формульных пояснений в тексте – Word, Arial, 10. Для текстовых материалов использовать формат doc, графических – jpeg, tiff. Графики и чертежи должны быть черно-белыми, четкими и контрастными. Фотографии и рисунки с разрешением, как минимум, 300 dpi�� Необходимо также прилагать контактную информацию (e-mail, телефон) и сведения об авторах (ФИО, ученая степень, должность, организация и ее адрес)��

Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеугольного топлива

Institution

Ähnliche Einträge