Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь
Представлены результаты численного моделирования течения полидисперсной многоскоростной газовзвеси в форсунке технологии пылеугольного вдувания топлива в горн доменной печи. Установлено влияние массовой доли отдельных фракций в смеси, дисперсности, формы частиц, плотности порошка, давления в фурменн...
Gespeichert in:
| Datum: | 2013 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| 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/123456789/159586 |
| 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 полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь / В.С. Волошин, Ю.А.Зинченко, Р.Д. Куземко, А.Г. Курпе // Металл и литье Украины. — 2013. — № 10. — С. 15-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-159586 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1595862019-10-08T01:25:42Z Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь Волошин, В.С. Зинченко, Ю.А. Куземко, Р.Д. Курпе, А.Г. Представлены результаты численного моделирования течения полидисперсной многоскоростной газовзвеси в форсунке технологии пылеугольного вдувания топлива в горн доменной печи. Установлено влияние массовой доли отдельных фракций в смеси, дисперсности, формы частиц, плотности порошка, давления в фурменном очаге, диаметра трубки на распределение по длине топливной форсунки статического давления, скорости фаз и объемной доли твердой фазы. Представлено результати чисельного моделювання течії полідисперсної багатошвідкісної газосуспензії у форсунці технології пиловугільного вдування палива в горн доменної печі, встановлено вплив масової частки окремих фракцій у суміші, дисперсності, форми частинок, щільності порошку, тиску в фурменому вогнищі, діаметра трубки на розподіл по довжині паливної форсунки статичного тиску, швидкості фаз і об’ємної частки твердої фази. The article presents the results of numerical simulation of polydisperse multi-speed gas suspension flow in the nozzle for technology of pulverized coal fuel injection into the blast furnace well. The influence of the fractions mass weight in the mixture, dispersion, particle shape, powder density, pressure in tuyere locus, diameter of the tube on static pressure distribution along injector nozzle length, the speed and phase volume fraction of the solid phase are determinated. 2013 Article Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь / В.С. Волошин, Ю.А.Зинченко, Р.Д. Куземко, А.Г. Курпе // Металл и литье Украины. — 2013. — № 10. — С. 15-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159586 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 |
Представлены результаты численного моделирования течения полидисперсной многоскоростной газовзвеси в форсунке технологии пылеугольного вдувания топлива в горн доменной печи. Установлено влияние массовой доли отдельных фракций в смеси, дисперсности, формы частиц, плотности порошка, давления в фурменном очаге, диаметра трубки на распределение по длине топливной форсунки статического давления, скорости фаз и объемной доли твердой фазы. |
| format |
Article |
| author |
Волошин, В.С. Зинченко, Ю.А. Куземко, Р.Д. Курпе, А.Г. |
| spellingShingle |
Волошин, В.С. Зинченко, Ю.А. Куземко, Р.Д. Курпе, А.Г. Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь Металл и литье Украины |
| author_facet |
Волошин, В.С. Зинченко, Ю.А. Куземко, Р.Д. Курпе, А.Г. |
| author_sort |
Волошин, В.С. |
| title |
Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь |
| title_short |
Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь |
| title_full |
Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь |
| title_fullStr |
Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь |
| title_full_unstemmed |
Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь |
| title_sort |
исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159586 |
| citation_txt |
Исследование полидисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в доменную печь / В.С. Волошин, Ю.А.Зинченко, Р.Д. Куземко, А.Г. Курпе // Металл и литье Украины. — 2013. — № 10. — С. 15-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Металл и литье Украины |
| work_keys_str_mv |
AT vološinvs issledovaniepolidispersnogotečeniâvforsunkedlâpodačipyleugolʹnogotoplivavdomennuûpečʹ AT zinčenkoûa issledovaniepolidispersnogotečeniâvforsunkedlâpodačipyleugolʹnogotoplivavdomennuûpečʹ AT kuzemkord issledovaniepolidispersnogotečeniâvforsunkedlâpodačipyleugolʹnogotoplivavdomennuûpečʹ AT kurpeag issledovaniepolidispersnogotečeniâvforsunkedlâpodačipyleugolʹnogotoplivavdomennuûpečʹ |
| first_indexed |
2025-07-14T12:07:19Z |
| last_indexed |
2025-07-14T12:07:19Z |
| _version_ |
1837624028835086336 |
| fulltext |
15МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 10 (245) ’2013
давлением газовзвеси, скоростью фаз, местной кон-
центрацией твердой фазы с учетом целого ряда фак-
торов и физических воздействий при течении много-
фракционного угольного порошка в форсунке.
Цель настоящей работы – используя модель по-
лидисперсного течения газовзвеси в доменной фор-
сунке представить распределение статического дав-
ления p, скорости несущего газа w1 и частиц w2 вдоль
форсунки длиной l с учетом массовой доли заданной
фракции в газовзвеси gi / gj, дисперсности порошка di
/ dj, диаметра частиц d, их формы и плотности ρ2, дав-
ления pфо в фурменном очаге, а также внутреннего
диаметра D форсунки.
Физическая модель. Все технологические по-
рошки, которые применяются в металлургии, яв-
ляются полидисперсными. На рис. 1 представлена
увеличенная в ~80 раз на микроскопе проба порош-
ка пылеугольного топлива (ДП № 3 «ММК им. Ильи-
ча»), которую взяли пинцетом и перенесли на стек-
ло с подсветкой, другим стеклом выровняли по-
верхность с насыпанным на неё порошком. По
С
остояние проблемы. Внедрение технологии вду-
вания пылеугольного топлива (ПУТ) в горн домен-
ных печей в настоящее время стало наиболее при-
оритетным направлением в программах перево-
оружения черной металлургии. О масштабе освоения
этой энергоресурсосберегающей технологии можно
судить по тому, как уже в ближайшие годы только на
ПАО «ММК им. Ильича» и ПАО «Азовсталь» при вне-
дрении технологии пылевдувания потребуется около
2 млн. т угля в год, которые будут подаваться в фур-
менный очаг 10-ти доменных печей через ~200 фор-
сунок. Однако в технологии вдувания ПУТ существу-
ет и крупномасштабная проблема. Исследование не-
мецких ученых показали, что при расходе угольного
порошка, равном 150-200 кг/т чугуна, степень сгора-
ния топлива в фурменом очаге составляет ~70 % [1].
В этих условия крайне важно разработать теорию
движения пылеугольного топлива в форсунках при
подаче его в ограниченное пространство фурменного
очага доменной печи, выдать рекомендации по наи-
более эффективным методам сжигания угля в фур-
менной зоне, разработать наиболее рациональные
режимы работы форсунок, а также выбрать место их
установки.
В работах [2, 3] расчет целого ряда определяю-
щих параметров выполнен, но использовали только
модель монодисперсного течения в форсунках. В
работе [4] проведен эксперимент по исследованию
течения гранулированного магния диаметром ча-
стиц d = 0,5-1,5 мм в трубе – фурме длиной l = 2,3 м,
но как влияют определяющие факторы на распреде-
ление давления р и объемную долю твердой фазы
ε2 по длине трубы l с использованием тонкодисперс-
ного порошка, а также с учетом размера фракции не
изучено. Современное состояние науки о движении
технологических порошков в различного рода кана-
лах, соплах, фурмах, форсунках позволяет поло-
жить начало решения и этого, весьма наукоёмкого
раздела в металлургии.
Постановка задачи. В задачу настоящего ис-
следования входило получить взаимосвязь между
УДК 669.162.2
В. С. Волошин, Ю. А Зинченко*, Р. Д. Куземко, А. Г. Курпе*
Приазовский государственный технический университет, Мариуполь
*ПАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича», Группа Метинвест, Мариуполь
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИДИСПЕРСНОГО ТЕЧЕНИЯ
В ФОРСУНКЕ ДЛЯ ПОДАЧИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
В ДОМЕННУЮ ПЕЧЬ
Представлены результаты численного моделирования течения полидисперсной многоскоростной газовзвеси в
форсунке технологии пылеугольного вдувания топлива в горн доменной печи. Установлено влияние массовой
доли отдельных фракций в смеси, дисперсности, формы частиц, плотности порошка, давления в фурменном
очаге, диаметра трубки на распределение по длине топливной форсунки статического давления, скорости фаз
и объемной доли твердой фазы.
Ключевые слова: полидисперсная газовзвесь, топливная форсунка, форма частиц, пылеугольное вдувание
Рис. 1. Микроструктура частиц порошка пылеугольного
топлива, вдуваемого в доменную печь № 3 ММК им. Ильи-
ча, (x80)
16 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 10 (245) ’2013
приведенному снимку (их сделали ~30) можно оце-
нить фракционный состав порошка. Это как тонкоди-
спергированые, так и достаточно крупные частицы с
очень разнообразной их формой, что существенно
усложняет математическое описание решения по-
ставленной задачи. В настоящей работе рассма-
тривается течение газа с полидисперсным уголь-
ным порошком через горизонтально установленную
трубку форсунки при существенном противодав-
лении в доменной печи. Так как в такой реальной
физической модели все частицы порошка по массе
и размеру разные, то они под действием аэродина-
мических сил летят с различной скоростью. Имен-
но это существенно усложняет решение задачи по
движению многофракционной газовзвеси в форсун-
ках системы ПУТ. При математическом описании
реальных течений этого класса в принципе нельзя
исключать столкновения частиц разных фракций, их
поперечное движение в потоке, а также удары ча-
стиц о стенку форсунки и между собой. В результате
столкновений внутри разных фракций и со стенка-
ми фурмы появляется как бы третья фаза, которая
в сложном, в том числе поперечном, перемещении
препятствует движению основного потока. Диссипа-
тивные процессы в таких потоках резко возрастают,
чего при моделировании течения в форсунках нель-
зя не учитывать.
Математическая модель. Система уравнений
движения при полидисперсном течении газовзвеси
в цилиндрическом канале форсунки с учётом сжи-
маемости газа имеет вид (i = 2, ... N; N – количество
фракций дисперсного порошка)
В уравнениях (1) и (2): G1, Gі – приведенный
массовый расход несущего газа и i-ой фракции
пылеугольного порошка, кг/(с∙м2); w1, wi – скорость
газа и порошка і-й фракции, м/с; F1i – приведенная
сила межфазного взаимодействия, Н/м3; F1w , Fiw – си-
лы трения газа и частиц о стенку, Н/м3; Iij – изменение
импульса i-й фракции в результате столкновений с
частицами j-й фракции, Н/м3; ρ1, ρi – плотность газо-
носителя и частиц і-й фракции, м3/кг; ε1, εi – местная
объемная доля газа и частиц і-й фракции в газовзве-
си; a – угол наклона форсунки к горизонту, град.
Система уравнений (1,2) дополняется условиями
постоянства расхода фаз
(3)
1
2
1
=
+ =ε ε∑
N
i
i
и уравнениями неразрывности для каждой из фаз
(4)
1 1 1 1
= = constε ρG w
=2
= = constε ρ∑
N
i i i i
i
G w; .
Силу межфазного взаимодействия определяли как
где ni = 6εI /(p di
3) – счётная концентрация, (м3)-1, S –
поверхность трения частицы, м2.
Коэффициент аэродинамического сопротивле-
ния, как и в работе [2], вычисляли по уравнению
где h – коэффициент динамической вязкости несу-
щего газа, Па∙с,
Внутрифазное взаимодействие частиц в потоке
моделировали следующим образом. Полагали, что
все частицы i-й фракции имеют одинаковые размеры
di, скорости wi и температуры ti. Поэтому частицы од-
ной фракции между собой не взаимодействуют. Дис-
кретное взаимодействие частиц различных фракций
условно заменяли непрерывным.
Изменение импульса частиц i-й фракции в резуль-
тате взаимодействия с частицами j-й фракции рас-
считывали как
где Dt – время свободного пробега i-й частицы, с.
С учётом изменения скорости частицы Dwij мас-
сой mi за счёт единичного столкновения с частицей
массой mj, а также считая, что удары частиц могут
быть не центральными, усреднив под всевозможны-
ми углами удары в проекции на продольную ось фор-
сунки легко получить
где kn – коэффициент восстановления нормальной
скорости частиц при ударах о стенку; d – эквивалент-
ный диаметр частиц, м.
Коэффициент осаждения (встречи) мелких частиц
на крупных Еji для потенциального обтекания газом
крупной частицы рассчитывали как в [5]:
где D – внутренний диаметр форсунки, м.
Исходные данные и результаты расчёта (рис. 2-6).
Расчёты выполняли для конкретной форсунки, кото-
рые в количестве ~ 100 штук установлены на 5-ти
(1)1
1 1 1 1 1 1
=2
cos= +−ε − − ε ρ α∑
N
w i
i
dpdwG F F g
dx dx
(2)
1
=2 =2
.cos= − + − + ρ α +ε ε∑ ∑
N N
і
i i i iw i i ij
j j
dw dpG F F g
dx dx
I
1
=2 =2
.cos= − + − + ρ α +ε ε∑ ∑
N N
і
i i i iw i i ij
j j
dw dpG F F g
dx dx
I
( )c1 1 1 1
1= = C S
2i i D i iF F n w w w w− −ρ (5)
(7)= /i.j i i i.j i.jI w∆ε ρ ∆τ
( ) ( )
( ( ( ) ( )2 3 3
2
= 3 4 1
+ / +
i
i i i i
ni.j j.i j
j j j j
I k E w w
w w
− − ×
× − ρ ε ε δ δ δ δ (8)
( ) ( )
( ( ( ) ( )2 3 3
2
= 3 4 1
+ / +
i
i i i i
ni.j j.i j
j j j j
I k E w w
w w
− − ×
× − ρ ε ε δ δ δ δ ,
2 2;= / ( + 0,25)ji ij ijE Stk Stk
( )2
2 1 ,= 18/Stk w Dηδ ρ
(9)
1 1
1 ,Re = i i
i
w w− ρδ
η
(6)
( )2
1 1 1
1
;
24 1 0,179 Re 0,013Re
Re
n
D i i
i
C −= + +ε
1 111
17МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 10 (245) ’2013
Влияние отношения массовой доли крупных (gi) и
мелких (gj) частиц на распределение статического давле-
ния р (── ) и скорость газоносителя w1 ( ─ ─ ─ ) по дли-
не l форсунки. Исходные данные: l = 2,15 м; D = 12 мм;
ρ2 = 1700 кг/м3; m2 = 22,5 кг/мин; Vн = 18 м3/ч; m = 60 кг / кг;
t1 = 400 oC, pфо = 0,37 МПа; di = 0,1 мм; dj = 0,05 мм; отношение
массовых расходов фаз для кривых 1-4 составляет: 1 – gi / gj =
= 0,1/0,9; 2 – gi / gj = 0,3/0,7; 3 – gi / gj = 0,7 / 0,3; 4 – gi / gj = 0,9 / 0,1
р, МПа
0,71
0,63
0,55
0,47
0,39
1
2 2
3
3
1
4
4
0 0,6 1,2 1,8 I, м
79
74
69
64
59
54
w1, м/с
Рис. 2.
Влияние отношения диаметров частиц di / dj на рас-
пределение статического давления р (──) и скорость w1 не-
сущего газа (─ ─ ─) по длине l форсунки. Исходные данные:
l = 2,15 м, D = 12 мм; ρ2 = 1700 кг/м3, m2 = 22,5 кг/мин,
Vн =18 м3/ч, m = 60 кг/кг; pфо = 0,37 МПа, t1 = 400 oC, 1 ─ d i / d j =
= 0,5/0,15; 2 ─ d i / d j = 0,07/ 0,15; 3 ─ d i / d j = 0,1 / 0,15;
4 ─ di / dj = 0,15 / 0,15. Постоянные величины: кривые – 1-4:
dj = 0,15 мм; gi / gj = 0,5 / 0,5, переменные величины, мм:
кривые 1 – di = 0,05; 2 – dі = 0,07; 3 – di = 0,1; 4 – di = 0,15
90
0,69
2 2
3
3
4
4
0,59
0,49
0,39
0 0,6 1,2 1,8
80
70
60
50
w1, м/ср, МПа
1
1
I, м
100
Рис. 3.
Рис. 4. Влияние коэффициента формы f частиц на рас-
пределение статического давления р (──) и скорости w1
(─ ─ ─) несущего газа по длине l форсунки. Исходные дан-
ные: l = 2,15 м, D = 12 мм; ρ2 = 1700 кг/м3, m2 = 22,5 кг/мин,
Vн = 18 м3/ч, m = 60 кг/кг; pфо = 0,37 МПа, gi = gj = 0,5 / 0,5
di = 0,05 мм, dj = 0,1мм, t1 = 400 oC
w1, м/ср, МПа
f = 1,4
85
90
0,69
0,64
0,59
0,54
0,49
0,44
0,39
0 0,6 1,2 1,8
1
1
1,2
1,2
1,3
1,3
1,4
80
75
70
65
60
55
50
I, м
Рис. 5. Влияние плотности порошка ρ2 на распределение
статического давления р (—) и скорости i-ой фракции wi
(─ ─ ─) по длине l форсунки. Исходные данные: l = 2,15 м,
D = 12 мм; m2 = 22,5 кг/мин,Vн = 18 м3/ч, m = 60 кг/кг,
pфо = 0,37 МПа, di = 0,05 мм, dj = 0,1 мм, gi / gj = 50/50, t1 = 400 oC
р, МПа w1, м/с
I, м
0,75
0,69
0,63
0,57
0,51
0,45
0,39
0 0,5 1 1,5
35
45
55
65
75
ρ2 = 1400 кг/м3
1500
1600
1700
1600
1500
1400
1700
печах ПАО «ММК им. Ильича». Внутренний диаметр
цилиндрической трубки форсунки был равен D = 12 мм,
ее длина l = 2,15 м, расход пылеугольного топлива
составил m2 = 22,5 кг/мин, расход азота при н.у.
Vн = 18 м3/ч, чему при всех режимах соответствовала
концентрация порошка угля m = 60 кг/кг. Эквивалент-
ный диаметр частиц принимали равным di = 0,1мм,
dj = 0,05 (кроме результатов, представленных на
рис. 3, отношение массовой доли крупных (di) и
мелких (dj) частиц было одинаковым (dI / dj = 0,5 / 0,5)
(кроме рис. 2), а плотность порошка ρ2 = 1700 кг/м3
(кроме рис. 5.) Расчеты вели при условии, что аб-
солютное давление в фурменном очаге составляло
pфо = 0,37 (кроме рис. 6), коэффициенты восстанов-
ления при ударе частиц о стенку kτ = 0,7, а их коэф-
фициент формы f = 1,3 (кроме рис. 4). Высоту вы-
ступов шероховатости на внутренней поверхности
трубки форсунки принимали равной D = 0,03 мм. При
всех режимах температуру газа в выходном сече-
нии форсунки поддерживали равной t1 = 400 °C. За-
метим, что используя настоящую модель, расчеты
18 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 10 (245) ’2013
Распределение статического давления p (—)
и скорости w1(─ ─ ─) газоносителя по длине l фор-
сунки при различном давлении pфо в фурменном оча-
ге. Исходные данные: D = 12 мм, l = 2,15 м, ρ2 =
1700 кг/м3, m2 = 22,5 кг/мин, Vн =18 м3/ч, m = 60 кг/кг;
f = 1,3, di = 0,05 мм, t1 = 400 oC, dj = 0,1 мм, gi/gj = 0,5/0,5
Рис. 6.
90
0,71
0,47
0,47
0,4
0,4
0,35
0,35
0,61
0,51
0,41
0,31
0 0,6 1,2 1,8
80
70
60
50
w1, м/ср, МПа
рфо = 0,5 МПа
I, м
можно провести для любого произвольного сечения
на длине l форсунки типа трубы, фурмы или сопла
в широком диапазоне изменения параметров газо-
дисперсного потока. Используя приведенную выше
модель, покажем влияние определяющих факто-
ров, в том числе с трудом поддающихся прогнозу,
на параметры пылегазового потока в форсунке.
Отношение массовой доли крупных и мелких
частиц. Чем больше массовая доля gi тонкоиз-
мельченных частиц угольного порошка в смеси, тем
выше давление р в любом произвольном сечении
форсунки (кроме среза, рис. 2). Это объясняется
тем, что чем мельче дисперсная фаза, тем при од-
ном и том же массовом расходе больше частиц в
газовзвеси, выше их поверхность трения, больше
диссипация энергии (рис. 2). Так, раздробив частицу
c диаметром d = 0,15 мм, можно получить 27 частиц
диаметром d = 0,05 мм. По этой причине, чем больше
доля крупных частиц в смеси (кривая 4), тем меньше
затраты энергии на перемещение их в форсунке и
ниже давление в каждом, произвольно взятом сече-
нии (рис. 2). Например, если отношение массовых
долей изменить с gi / gj = 0,1/0,9 до gi = gj = 0,9/0,1, то
есть уменьшить массовую долю более мелких частиц
dj = 0,05 мм, то давление газовзвеси на входе в фор-
сунку снизится с 0,69 до 0,5 МПа. При этих условиях
скорость несущего газа w1 увеличится с 69 до 82 м/с.
Диаметр частиц. Расчеты, результаты которых
представлены на рис. 3, выполнены при следующих
условиях. Для всех рассмотренных режимов прини-
мали, что размер частиц dj = 0,15 мм = const, а di из-
меняли от 0,05 до 0,15 мм. При этом массовая доля
дисперсной фазы с i- и j-ми частицами была одинако-
вой, то есть доли соотносились как gi / gj = 0,5 / 0,5 = 1.
Из рис. 3 следует, что чем меньше размер порошка
di, тем больше в газовзвеси тонкодиспердированых
частиц, (кривая 1), выше затраты энергии для пода-
чи одного и того же расхода m1 и m2 через форсунку
заданного диаметра D. Например, при переходе от
дисперсного состава di / dj = 0,15 / 0,15 (100 % частиц
диаметра d = 0,15 мм (кривая 4), до di / dj = 0,05 / 0,15
(кривая 1) потребуется увеличить давление р на
входе в форсунку с 0,51 до 0,75 МПа, а скорость w1
несущего азота при этом возрастет с 70 до 96 м/с.
Форма частиц. Форма порошка существенно влия-
ет на распределение давления р газовзвеси по длине
l форсунки (рис. 4). Так, например, в сечении, которое
находится на длине l = 1,2 м, если коэффициент формы
f = 1,4 (ближе к пластине), то давление газовзвеси со-
ставляет 0,59 МПа, а при f = 1 мм (шар) оно ровно все-
го лишь 0,46. При этих же условиях и на той же длине
l =1,2 м с увеличением f, а, следовательно, и парусности
частиц, скорость газоносителя возрастает с w1 = 57 м/c
(f = 1) до w1 = 70 (f = 1,4).
Плотность частиц. Чем выше плотность ρ2 по-
рошка, тем при заданных расходах газовзвеси, (то
есть m2 = const, Vн = const), а также одинаковом диа-
метре порошка (d = const) меньше количество ча-
стиц в потоке. Из-за снижения поверхности трения
уменьшаются затраты энергии на перемещение
газовзвеси в форсунке (рис. 5). Так, например, на
расстоянии от входа в форсунку l = 1м и плотно-
сти порошка ρ2 = 1700 кг/ м3 давление составляет
р = 0,48 МПа, а при уменьшении ρ2 до 1400 кг/м3
р повышается до 0,63 МПа. При этих же услови-
ях скорость i-ой частицы (размером, di = 0,05 мм )
при ρ2 = 1700 кг / м3 составляет wi = 60 м/с, а при
ρ2 = 1400 кг/ м3 эта скорость возрастает до wi = 71 м/с.
С повышением ρ2 (при d = const) увеличивается
инерционность частицы и её несущий газ обгоняет.
Так, в выходном сечении форсунки при увеличении
ρ2 с 1400 до 1700 кг/м3 скорость газа w 1 увеличивает-
ся с 66 до 77 м/с (рис. 5).
Давление в фурменном очаге. Чем больше дав-
ление в фурменном очаге pфо, тем оно выше на вхо-
де в форсунку и в любом произвольном её сечении
(рис. 6). Например, увеличение pфо с 0,35 до 0,5 МПа
приводит к росту давления р на входе с 0,52 до
0,72 МПа. При этом скорость несущего газа w1 на
выходе из форсунки ( l = 2,15 м) снижается с 87 до
71 м/c, что вытекает из уравнения неразрывности,
записанного в форме w1 = m1 / (ε1 ρ1 S). Анализ по-
казывает, что при ρi = const скорость w1 = f (ε1 ρ1 Y),
причем с увеличением рфо плотность ρ1 возрастает, а
объемная доля газовой фазы ε1 снижается, но мед-
леннее, чем увеличивается ρ1. Поэтому влияние pфо
на w1 определяется тем, какой из параметров – ρ1
или ε1 – изменяется более существенно.
Внутренний диаметр форсунки. Правильный
выбор диаметра D форсунки ─ одно из основных
требований эффективной организации пылеуголь-
ного факела в фурменной зоне. Численные расчеты
проводили, сохраняя постоянными расходы несу-
щего газа Vн и пылеугольного топлива m2, а также це-
лый ряд других величин (gi / gj, ρi / ρj, f, ρ2, pфо, kt, knt
и др.), а диаметр форсунки изменяли в диапaзоне
D = 10-16 мм).
Из рис. 7 следует, что чем больше диаметр форсун-
ки D, тем меньше темп ускорения как несущего газа по
0,5
19МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 10 (245) ’2013
Распределение скорости w1 (──) газоносителя и
объемной доли ε2 (─ ─ ─) твердой фазы при различном диа-
метре D по длины l форсунки. Исходные данные: l = 2,15 м,
ρ2 = 1700 кг/м3, m2 = 22,5 кг/мин, Vн = 18 м3/ч, m = 60 кг/кг,
pфо = 0,37 МПа, di / dj = 0,05 / 0,1; gi / gj = 0,5 / 0,5
Рис. 7.
1. Исследование превращения вдуваемых углей и других порошков в шахтных печах / А. И Бабич, Д. Г Зенк, Г. В Гуденау
и др. // Труды международной научно-технической конференции «Пылеугольное топливо – альтернатива природному
газу при выплавке чугуна». – Донецк: УНИТЕХ. – 2006. – С. 181-192.
2. Косолап Н. В., Куземко Р. Д., Исследование газодисперсного течения в форсунке для подачи пылеугольного топлива в
доменную печь // Металл и литьё Украины. – 2013. – № 1. – С. 15-19.
ЛИТЕРАТУРА
длине l, так и частиц порошка. Например, в дисперсном
потоке, состоящем из частиц di = 0,05 мм, масса которых
в смеси 10 % (gi = 0,1) и частиц dj = 0,1 мм (gi = 0,9) при
повышении D с 10 до 16 мм скорость w1 несущего газа
в выходном сечении (l = 2,15 м) уменьшается с 95 м/с
(D = 10 мм) до 43 (D =16). При этих же условиях ско-
рость j-х частиц в выходном сечении форсунки по-
нижается с wj = 87 м/с (D = 10 мм) до wj = 38 (D = 16).
Местная обьемная доля твердой фазы ε2 при любом
значении D снижается по длине l из-за уменьшения
плотности ρ1 газа, а при уменьшении диаметра D воз-
растает из-за снижения коэффициента скоростного
запаздывания Y = w2 / w1( рис. 7, пунктир)
Таким образом, проведены в широком диапазоне
изменения целого ряда термогазодинамических па-
раметров, что позволяет более глубоко осмыслить
работу важнейшего технологического аппарата си-
стемы ПУТ, каким является топливная форсунка до-
менной печи.
Адекватность модели. Учитывая сложность
выполнения физического эксперимента на газоди-
сперсных потоках доменной форсунки, часть кото-
рой находится в потоке горячего (~1100 оС) дутья,
достоверность полученных результатов численных
расчетов проверим, применив метод тестирования.
Так, если:
− истечение из форсунки дозвуковое (все рассмо-
тренные режимы), то статическое давление потока в
выходном сечении форсунки (l = 2,15 м) и в фурмен-
ном очаге будет одинаковым (рвых = рфо) (рис. 2-5);
− течение в форсунке дозвуковое (наш случай), то
по закону обращения воздействия при любых значе-
ниях gi / gj, di / dj, f, рфо, ρ2, D и других газодисперсный
поток в трубке форсунки ускоряется (рис. 2-6);
− частицы имеют большую парусность (выше f), то
они создают и более высокое сопротивление движе-
нию, а скорость таких частиц возрастает в сравнении
с перемещением частиц с шаровой поверхностью
(f = 1) (рис. 4);
− более легкие частицы менее плотного материа-
ла одного и того же размера перемещаются с боль-
шей скоростью wi, что естественно (рис. 5);
− изменить давление в фурменном очаге, и тем
самым при решении уравнений (1) и (2) граничные
условия в выходном сечении форсунки, то давление
газовзвеси в этом сечении не будет постоянным, что
не вызывает сомнений (рис. 6).
Выводы
Впервые для расчета топливных форсунок до-
менных печей технологии вдувания ПУТ разработа-
на и применена модель полидисперсного течения
технологических порошков, получены качественные
связи между определяющими величинами сложного
порошкового течения, в том числе с учетом фракци-
онного состава частиц в потоке.
Показано что, чем выше массовая доля тонко-
измельченных частиц угольного порошка в смеси,
тем выше диссипация энергии и для подачи одно-
го и того же расхода газовзвеси в фурменный очаг
доменной печи требуется более высокое давление
перед форсункой.
Получено, что при неизменном диаметре фор-
сунки, одних и тех же расходах несущего газа и пы-
леугольного топлива, но при различных значениях
формы частиц, массовой доли мелкодисперсного по-
рошка, плотности частиц давление перед форсункой
изменяется в ~1,35-1,4 раза.
Предложено в выходном сечении форсунки ско-
рость газовзвеси снизить, для чего следует заме-
нить диаметр трубки с 12 на 16 мм. Скорости фаз
при этом уменьшатся ~ в 2,5-3 раза.
25
45
65
85
0 0,6 1,2 1,8
0,025
0,028
0,031
0,034
w1, м/с
D = 10 мм
14
16
12
ε2
l , м
14
12
16
10
ε2
w1, м/с
85
65
45
25
0 0,6 1,2 1,8 l, м
0,034
0,031
0,028
0,025
10
12
14
16
16
14
12
D = 10 мм
20 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 10 (245) ’2013
Представлено результати чисельного моделювання течії полідисперсної багатошвідкісної газосуспензії у форсунці
технології пиловугільного вдування палива в горн доменної печі, встановлено вплив масової частки окремих фракцій
у суміші, дисперсності, форми частинок, щільності порошку, тиску в фурменому вогнищі, діаметра трубки на розподіл
по довжині паливної форсунки статичного тиску, швидкості фаз і об’ємної частки твердої фази.
Волошин В. С., Зінченко Ю. А., Куземко Р. Д., Курпе О. Г.
Дослідження полідисперсної течії в форсунці для подачі пиловугільного
палива в домену піч
Анотація
Ключові слова полідисперсна газоcуспензія, паливна форсунка, форма частинок, пиловугільне вдування
Voloshin V. S., Zinchenko Yu. А., Kuzemko R. D., Kurpe O. G.
Investigation of polydisperse flow in nozzle for pulverized coal fuel infeed into
blast furnace
Summary
The article presents the results of numerical simulation of polydisperse multi-speed gas suspension flow in the nozzle for
technology of pulverized coal fuel injection into the blast furnace well. The influence of the fractions mass weight in the mixture,
dispersion, particle shape, powder density, pressure in tuyere locus, diameter of the tube on static pressure distribution along
injector nozzle length, the speed and phase volume fraction of the solid phase are determinated.
polydisperse gas suspension, injector nozzle particle shape, pulverized coal fuel injectionKeywords
Поступила 07.10.13
3. Косолап Н. В., Куземко Р. Д. Исследование межфазного взаимодействия в потоке вдуваемого через форсунку пылеу-
гольного топлива // Металл и литьё Украины. – 2013. – № 8. – С. 7-12.
4. Елисеев В. И. Расчет движения частиц в прямолинейном канале фурм / В. И. Елисеев, А. П. Толстопят, Л. А. Флеер и
др. // Сб. ИЧМ “Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии”. – 2011. – Вып. 24. – С. 113-121.
5. Гидромеханика двухкомпонентных потоков с твёрдым полидисперсным веществом / А. А. Шрайбер, В. Н. Милютин,
В. П. Яценко – Киев: Наукова думка, 1980. – 252 с.
ВНИМАНИЮ АВТОРОВ И ПОДПИСЧИКОВ!
Ежемесячный научно-технический журнал
«Металл и литьё Украины» выходит на русском языке
(аннотации на 3-х – русском, украинском и английском)
Наш телефон: (044) 424-04-10
|