（控制科学与工程专业论文）基于计算流体力学以高炉建模与仿真.pdf

学位论文数据集 中图分类号t p 3 1 6 7学科分类号51 0 8 0 4 0 论文编号 10 0 1 0 2 0 1 1 0 7 7 6 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李东韩学号2 0 0 8 0 0 0 7 7 6 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码0 8 1 1 0 1 课题来源其他项目研究方向 建模 论文题目基于计算流体力学的高炉建模及仿真 关键词高炉，高炉数学模型，计算流体力学 论文答辩日期 2 01 1 ，5 ，2 7论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师靳其兵教授北京化工大学控制理论与控制工程 评阅人1夏涛副教授北京化工大学计算机技术 评阅人2曹政才副教授北京化工大学智能控制 评阅人3 评阅人4 评阅人5 徽员会拂李宏光教授北京化工大学控制理论与控制工程 答辩委员l夏涛副教授北京化工大学计算机技术 答辩委员2曹政才副教授北京化工大学智能控制 答辩委员3崔玉龙副教授北京化工大学电力电子技术应用 答辩委员4陈娟教授北京化工大学过程控制、电力电子 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂i 1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 基于计算流体力学的高炉建模及仿真 摘要 高炉炼铁过程是冶金工业不可缺少的环节。高炉炼铁过程包括多 种同时发生的物理变化和化学反应，并且高炉内部多种多相物质共存 且相互作用，因此高炉被称为是化工领域最复杂的反应器之一。高炉 内部现象的研究对控制和优化高炉工艺过程具有重要的意义，也引起 了众多学者的关注。但是随着高炉规模的扩大，高炉内部的动态特性 越来越难以掌握。现存的模型中仍存在一些问题。例如，缺乏分析高 炉过程的有效工具，提供的信息较少，缺乏预测性能，无法全面直观 的反映高炉内部的动态情况等。因此，更多的努力用于开发高炉数学 模型来提高对高炉过程的了解。 本文应用计算流体力学理论解析高炉炼铁过程，采用一系列的微 分方程来描述动量、能量守恒及传质过程，充分考虑了高炉内部的物 理和化学变化，提出了高炉炼铁复杂过程整体建模框架。确定高炉及 死区的边界条件，稳态过程守恒方程中流量、扩散系数等项的插值方 法，利用控制体积法离散微分方程，利用t d m a 法迭代求解微分方 程，并对数据进行了可视化处理。建立出高炉二维动态模型，对炉内 北京化工大学硕上学位论文 主要现象进行多维数学模拟解析。分析了高炉内部气相流和固相流的 运动和传热情况。仿真结果表明此模型可以较精确地预测出高炉内部 复杂的运动过程及固相气相流体的温度分布。 高炉数学模型，计算流体力学 i i t h es i m u l a t i o no fb l a s tf u r n a c eb a s e do n c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s a b s t r a c t b l a s tf h m a c e p r o c e s si san e c e s s a 巧p a r to ft h em e t a l l u 玛i c a l i n d u s t 够 t h eb l a s t 向m a c ep r o c e s si n c l u d e sm a n yp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a n g e s t h e y o c c u ra tt h es a m et i m e m a n yb n d s o fm a t e r i a l se x i s t s i m u l t a n e o u s l ya n di n t e r a c t i o nw i t he a c ho t h e r w h i c hm a k e st h eb l a s t 如m a c eb e c o m eo n eo ft h em o s tc o m p l i c a t e dr e a c t o r si nt h ec h e m i c a l i n d u s t t h ek n o w l e d g eo fi n f o m a t i o ni nb l a s t 如m a c ep l a y sa n i m p o r t a l l tr o l ei nc o n t r 0 1 l i n ga n do p t i m i z i n gt h eb l a s tf h m a c ep r o c e s s ， w h i c ha t t r a c t sm a n yr e s e a r c h e r st ow o r kw i t hi t h o w e v e r ，w i t hm e i n c r e a s i n gs c a l eo fb l a s t 向m a c e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nb l a s t f h m a c ea r eb e c o m em o r ea n dm o r ed i 瓶c u l tt ou n d e r s t a n d t h e r ea r es t i l l m a n yp r o b l e m sr e m a i nu n s 0 1 v e d f o re x a m p l e ，t h e r ei sn o ta ne f f e c t i v e t 0 0 1t oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si n s i d et h eb l a s t 角m a c e ，a n d l e s si n f o m a t i o ni so 腩r e d a n dl a c ko f p r e d i c t i n g 如n c t i o n b e s i d e s ，t h e i n n e rs t a t eo f 如m a c ec a n tb er e n e c t e dv i s u a l l y e 肺r t sh a v eb e e nm a d e t o d e v e l o p m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rab e t t e r u n d e r s t a n d i n go fb l a s t 血m a c e i nt h i s r e s e a r c h ，t h et h e o 巧o fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y l l a m i c si s i i i 北京化工大学硕士学位论文 i n t r o d u c e dt oa n a l y z et h eb l a s t 凡m a c ep r o c e s s t h em o d e lc o n s i s t so f c o n s e a t i o n e q u a t i o n s o fm a s s ， m o m e n t u m ， t h e n n a l e n e 玛y ， a n d c h e m i c a ls p e c i e s t h es i m u l t a n e o u sp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a n g e sa r e c o n s i d e r e da n dt h e行a m e w o r ko ft h em a t h 锄a t i c a lm o d e li sa l s o c o n s t m c t e d t h ep r o g r a mc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gp a r t s ：b o u n d a 巧 d e f i n i t i o no ft h eb l a s tm m a c ea n dd e a d m a n ，i n t e 叩o l a t i o nf o rt h ev a r i e t i e s i nt h ec o n s e a t i o ne q u a t i o n s ，d i s c r e t i z a t i o nb y u s i n gm ec o n t r 0 1v o l u m e m e t h o d ，s o l v et h ee q u a t i o nb yt d m am e t h o d ，a n dt h e nd ot h ed a t a v i s u a l i z a t i o n t h et w od i m e n s i o n a ld y n a m i cm o d e lo fb l a s t 向m a c ei s b u i l t t h e nd ot h es i 枷l a t i o nf o rt h em a i np h e n o m e n o no fb l a s t 如m a c e a n da n a l y z et h em o v e m e n ta n dh e a tt r a n s f i e ro fg a sf l o wa n ds o l i dn o w t h er e s u l t ss h o wt h a tm ec o i i l p l i c a t e dm o v e m e n t sa n dh e a tt r a n s f e rc a n b ep r e d i c t e db yt h i sm o d e ls u c c e s s m l l y ： k e y w o r d s ：b l a s t 如m a c e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o i n p u t a t i o n a ln u i d d y n a m i c s 目录 目录 第一章绪论1 1 1 论文选题的背景、目的和意义。1 1 2 课题的研究状况。2 1 2 1 高炉的实验研究2 1 2 2 国内外高炉模型的研究进展3 1 2 3 高炉过程仿真中存在的难题5 1 3 本课题的主要研究内容及方法5 第二章高炉过程的建模理论7 2 1 高炉工艺过程7 2 。2 高炉过程的基本方程10 2 3 矿石的还原反应模型1 3 2 3 1 一界面未反应核模型。：。1 3 2 3 2 二界面未反应核模型1 4 2 3 3 三界面未反应核模型15 2 4 化学反应模型的实现1 6 2 5 本章小结1 7 第三章高炉过程的多相态数学模型1 9 3 1 高炉过程多相流描述1 9 3 2 相态间的动量传递一2 l 3 3 相态间的热传递2 2 3 4 相态间的质量传递及化学反应描述2 3 3 5 本章小结2 5 v 北京化t 大学硕士学位论文 第四章高炉模型的数值求解2 7 4 1 高炉过程的有限体积法求解2 7 4 2 生成计算网格2 8 4 3 守恒方程的离散2 9 4 3 1 源项的推导2 9 4 3 2 不稳定项的推导31 4 3 3 对流项和扩散项的推导：3 3 4 3 4 二维离散方程的最终形式3 4 4 4 离散方程的求解3 7 4 4 1t d m a 算法3 7 4 4 2 流场的求解4 1 4 5 本章小结4 3 第五章高炉过程的仿真4 5 5 1 化学反应相关4 5 5 1 1 三界面反应还原率4 5 5 1 2 氢气还原率的分布4 6 5 1 3h 2 与h 2 0 ，c o 与c 0 2 的平衡4 6 5 2 速度矢量的仿真4 7 5 2 1 气态速度矢量仿真4 7 5 2 2 固态速度矢量仿真4 8 5 3 温度分布的仿真5 0 5 3 1 气态温度分布5 0 5 3 2 固态温度分布。5 1 5 4 本章小结5 1 第六章结论与展望5 3 参考文献5 5 目录 致 射5 9 研究成果及发表的学术论文6 1 作者和导师简介6 3 i 北京化丁大学硕：卜学位论文 c o n t e l l t s co n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h e b a c k g r o u n d ，p u 印o s ea n dm e a j l i n go fr c s e a r c h l 1 2o v e r v i e wo f r e s e a r c h 2 1 2 1e x p e i i r n e n t r e s e a r c ho f b l a s t 如m a c e 2 1 2 2d e v e l o p m e n to f b l a s t 向m a c er e s e a r c h 3 1 2 3d i 衔c u l t vi ns i m u l a t i o n 5 1 3t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e r 5 c h a p t e r 2b l a s tf h r n a c em o d e l i n gt h e o i 。y 7 2 1t h ep r o c e s so f b l a s t 如m a c e 7 2 2t h eg e i l e r a le q u a t i o no f b l a s tf u m a c e 1 0 2 3c h e m i c a lr e d u c t i o nm o d e lo f i r o no r e 1 3 2 3 10 l i l e i n t e m c ec o r em o d e l 1 3 2 3 2t w o i n t e f f a c ec o r em o d e l 1 4 2 - 3 2t h r e e i n t e r f a c ec o f em o d e l 15 2 4c o m p l i m e n to f r e a c t i o nm o d e l 16 2 5c o n c l u s i o n 17 c h a p t e r3m u l t i - n u i dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l a s tf u r n a c e 19 3 1m u l t i f l u i di n s i d eb l a s tf u r n a c e 1 9 3 2m o m e 咖e x c h a n g e 2 l 3 3h e a te x c h a l l g e 2 2 3 4c h 锄i c a lr e a c t i o n sa n dp h a s et r 趾s f o 加a t i o n s 2 3 3 5c o n c l u s i o n 2 5 i x 北京化工人学硕士学位论文 c h a p t e r 4m e t h o d so fs o l u t i o n 2 7 4 1f i i l i t ev o l u m em e m o d 2 7 4 2g r i dg e n e r a t i o n 2 8 4 3d i s c r e t ec o n s e a t i o ne q u a t i o n 2 9 4 3 1s o u r c et e n n 2 9 4 3 2u n s ta b l et e n i l 31 4 3 3c o n v e c t i o nt e 眦a n dd i 丘u s i o nt e 肌3 3 4 3 4d i s c 羽贯ee a u a t i o nf o rt 、) i ，od i m e n s i o n 3 4 4 4s o l u t i o nf 1 0 rt l l ed i s c r e t ee q u a t i o n 3 7 4 4 1a l g o r i t h mo f t d m a 3 7 4 4 2c a l c u l a t i o no f t h ef l o wf i e l d 4 l 4 5c o n c l u s i o n 4 3 c h a p t e r5s i m u l a t i o no fb l a s tf u r n a c e 。4 5 5 1s i n l u l a t i o no f r e a c t i o nm o d e l 一4 5 5 1 1r e d u c t i o nr a t eo ft h r e ei n t e r f a c e s 4 5 5 1 2d i s t r i b m i o no f h 2r e d u c t i o nr a t e 4 6 5 1 3b a l a n c eo fh 2 孤dh 2 0 ，c oa i l dc 0 2 4 6 5 2s i n m l a t i o no fv e l o c i t vv e c t o r 。4 7 5 2 1 、厂e l o c i t yv e c t o ro fg 嬲f i e l d 4 7 5 2 2v r e l o c i t vv e c t o ro fs 0 1 i d6 e l d 。4 8 5 3s i m u l a t i o no fh e a t 一5 0 5 3 1d i s t r i b u t i o no fg a l sh e a t 5 0 5 3 2d i g t r i b u t i o no f s o l i dh e a t 5 1 5 4c o n c l u s i o n 51 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n 一5 3 r e f b r e n c e 一5 5 a c k n o w l e d g e m e n t 5 9 x c o n t e n t s r e s e a r c ha c h i e v e m e n ta n dp a p e rp u b l i s h e d 6 1 b r i e fi n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n da d v i s e r 6 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题的背景、目的和意义 钢铁广泛用于铁路、公路、建筑和众多基础建设行业，是几乎所有产业不可 欠缺的基础素材。可以说，没有钢铁就没有社会的现代化。钢铁是国民经济的重 要基础组成部分，素来有工业粮食之称，它是自工业革命以来人类使用的主要结 构材料，它的发展与人类文明的进步有着密切的关系。钢铁的生产能力和消费水 平成为衡量一个国家综合国力和人民生活水平的重要指标。纵观我们国家钢铁行 业的现状和未来，钢铁产业将是中国的首席产业。 钢铁材料与其他材料相比具有两大优势：第一，资源丰富。目前，在全世界 二百多种矿石中，铁矿石的储藏量约有几千亿吨，其中我国的储藏量相当巨大， 占百亿吨左右；第二，钢铁材料的循环再生能力强。我国的废铁回收率超过百分 之五十五，根据全国再生资源回收体系建设现场会议的报告，经过近两年建设， 中国五十五个试点城市再生资源回收率提高到百分之七十左右，随着炼铁技术的 不断进步，不久的将来，几乎所有的钢铁废弃物将实现再生【l 】。钢铁产业前景广 阔，是国家进步的重要标志。 高炉作为传统的炼铁方法，由于其在生产量和价格上的优势，在整个钢铁行 业中占有不可取代的重要地位。近年来，钢铁行业竞争日益激烈。欧美国家首先 进行结构调整，淘汰落后的工艺和设备，降低能源消耗和生产成本，提高竞争力， 自二十世纪七十年代以来开始了炼铁高炉大型化的进型2 1 。欧美国家相继建成了 两干立方米级以上的大型高炉一百多座，最大容积达到五千七百多立方米；日本 和西欧等国家自二十世纪八十年代以来，也建成了一批四千到五千立方米级的特 大型高炉【3 】。中国在国家制定的钢铁产业发展政策中，也提出钢铁行业应逐 步淘汰1 0 0 0 立方米以下高炉，新建高炉必须是大高炉。在推进炼铁高炉大型化 进程几十年后，引发了新的科研难题：大型高炉炉内状况复杂，无法及时了解重 大事故的产生机理、产生过程并且有效的化解，此问题引起了众多学者的广泛关 注【4 1 。很多研究者讲目光投在了控制系统的改造上，但是没有对高炉内部过程的 认识，只靠控制系统的改造是远远不够的【引。掌握高炉内部从布料线到出渣口的 整个过程，建立精确的数学模型，实现可视化，是提高高炉自动化水平，保证高 炉安全高效运行的关键f 6 】。在2 0 0 0 至2 0 0 5 年的冶金科技发展指南中也提到，把 炉况判断及操作预测模型的建立作为科研前沿课题。 高炉冶炼过程是一个包含多相变，多化学反应，多耦合的复杂过程。装置内 1 北京化工大学硕士学位论文 部存在流体流动，动量交换，热交换等多种现象。对高炉内部过程进行建模和仿 真有够有效地预测高炉动态特性，指导在线生产，有利于节约成本和能源，是国 家发展的要求，我国钢铁工业进步的推动力【7 1 。 1 2 课题的研究状况 高炉炼铁技术在过去几十年中飞速的发展着，但是随着高炉规模的不断扩 大，内部现象更加复杂。对高炉内部状态缺乏了解，严重阻碍的高炉过程自动化 的进程。对高炉内部过程的研究分为实验研究和理论研究两者。中外学者进行了 大量的研究，并取得了丰硕的成果。 1 2 1 高炉的实验研究 为了能够正确处理高炉冶炼过程中经常会出现的现象，切实了解炉内状况是 非常必要的。高炉过程的实验研究最直接的手段就是高炉解剖【8 】。它是一种研究 高炉冶炼过程的传统手段。简单来说，高炉解剖就是在正常的高炉生产状态下停 炉冷却，解剖炉体，全过程录像、观察、分析化验。这种研究方法虽然不能完全 了解高炉生产的动态情况，但是对于了解高炉过程有一定的参考价值【9 1 。国外对 一些生产高沪进行了解剖研究，尤其是日本接连不断地解剖了十多座高炉。我国 第一次高炉解剖于1 9 7 9 1 9 8 0 年在首钢试验高炉进行，以研究软熔带分布为主要 目的。首钢试验高炉取样安排是这样的：自炉喉向下，炉身取6 层，炉腰取2 层， 炉腹取5 层，每层又按四个方向，每方向除中心，取边缘及中间两个点，软熔 带在炉内按二十四个方向测定了高度，厚度业绘出了各层软熔矿石层剖面图 1 0 1 。 这种研究方法虽然在一定程度上帮助我们加强了对高炉过程的了解，但是实验费 用高，不能成为研究高炉过程的主要方法。另外，实验只能获得间断的静态数据， 对于高炉内动态特性无从得知。 后来，随着传感器的发展和广泛应用，给我们带来了研究高炉内部动态特性 的信心。但是由于高炉内部温度过高，容积庞大，传感器不能发挥它理想的效果。 后又有学者采用模型实验的方法进行研究。但是由于高炉装置的大型化，生产过 程的复杂化，导致模型的准确性受到影响。目前的模型实验更多的集中在局部过 程实验【l l 】。 总的来说，高炉过程的实验研究方法存在不容忽视的缺点，例如，耗费大量 的人力物力财力，获得信息量存在局限性，操作过程危险，模型试验结果的准确 性有待考察，缺乏预测性信息等。 2 第一章绪论 1 2 2 国内外高炉模型的研究进展 高炉的内部现象与气相流固相流，质量，和传热息息相关。为了得到可靠的 仿真结果，必须有正确的数学模型，合理的数值求解方法。 高炉数学模型有几种分类方式：平衡理论模型、热化学模型和反应动力学模 型( 根据对高炉内传输现象描述方法的不同) ：一维模型、二维模型和三维模型 ( 按所考虑的空间坐标维数) ；稳态模型和非稳态模型( 根据是否考虑时间变量) 【1 2 1 。其中，反应动力学模型因其可以详细地分析并且预测高炉内部状态和高炉 操作性能而得到广泛应用，也是目前国内外研究和应用的热点【1 3 】。反应动力学 模型是建立在流体动力学和化学反应动力理论基础上的一种模型，对高炉炉内的 温度分布进行仿真【l3 1 ，从而对高炉的整个生产过程进行预测。这些方法可以较 好地描述高炉炉内的情况。反应动力学模型的发展历程分为以下几个阶段： l 、2 0 世纪6 0 年代，高炉一维模型：由最初的稳态模型发展为非稳态模型。鞭 严等人充分考虑炉内的主要化学反应和传热，仿真出高炉内部主要变量的分布， 开发出高炉一维稳态模型1 4 】。之后又有很多学者发展了鞭严的思想，建立了一 系列的一维高炉模型。这些一维高炉模型严格遵守能量和物质平衡原理，在分析 参数对高炉炉况的影响方面取得了进展，但是在一维高炉模型中，很多参数被假 设为常数，固定不变，这样就与真实情形相悖，这样模型的结果就与真实值存在 差异【i5 1 。另外，一维高炉模型的传质和传热过程通过常微分方程来描述，因此 预测精度不高。 2 、2 0 世纪8 0 年代，二维高炉模型：随着计算机技术的迅猛发展，偏微分方程 得以用计算机解决，这样就产生了大量的二维高炉模型。其中最有代表性的是 h a t 锄。和k 1 埘t a 的模型，y a 西、t a i ( e d a 和o m o r i 的模型和s u 西y 锄a 和s u g a t a 的b r i g h t 模型。y a 西、t a k e d a 和o m o d 的模型基于欧根方程，仿真出流体 通过倾斜的矿石焦炭层的情况【1 6 1 。s u 西y a m a 和s u g a t a 的b r i g h t 模型由装入 物模型、气相流模型、固相流模型、化学反应模型和传热模型五部分构成；因高 炉内部的动态现象影响着生产的稳定性、产品的质量和燃料的消耗，所以 b r i g h t 模型中的定常量仍需要进一步研究【l 7 1 。二维高炉模型用来展现高炉内部 复杂现在，考察各个操作参数( 扩散系数、透气率等) 对高炉性能和炉况的影响。 分析高炉内部由上至下各区域( 填料区、软熔带、死区、鼓风口) 的变化和影响， 以进一步指导高炉的实际在线运行。 3 北京化工大学硕士学位论文 图l lb i u g h t 模型流程图 f i g 1 - ll i 1 0 wc h a r to fb r i g h tm o d e l 3 、2 0 世纪9 0 年代，多流体高炉模型：多流体理论用多相流及其相互作用 来描述高炉内部现象。在多流体高炉模型中，因为未燃烧的煤粉与固态具有不同 的流动特性，又与液态具有不同的物理特性，所以将其作为独立的相态，称为粉 相，粉相有静态和动态之分【1 8 】。液相又被分为渣相和铁水。多流体高炉模型是 一种基于多流体理论、反应动力学、冶金传输原理以及计算流体力学等理论的， 杂全面的模型模拟高炉炼铁过程的全高炉反应动力学模型【1 9 1 。模型认为 轴对称的，能够处理二维和三维问题。 1 2 所示为多流体模型中各相间的相互作用( 实线代表动量、质量和能量 相互作用，虚线代表质量的传输) 。气相、固相、铁水、熔渣和粉相分别具 的物理特性和流动特性；气相、固相与其它相之间可以实现完全的质量、 能量交换，而液相和粉相间只能通过化学反应和相变进行质量和能量的交 内在研究高炉模型方面也取得了一定的成就，但仍然存在一些不足。例如， 的模型做了过多的简化，将热传递系数、密度等变量作为常量来处理，完 的化学反应；只对高炉的局部进行研究，割裂了高炉的整体过程，没有充 各种变量之间的耦合性；模型给出的信息太少；没有先进的数值求解方法， 解缺乏可靠性【2 i 】。因此，对高炉过程进行建模和仿真是很必要的。 4 第一章绪论 图l - 2 多流体模型中相间相互作用示意 f i g 1 2i n t e r a c 廿o nb e t w e e np h a s e s 1 2 3 高炉过程仿真中存在的难题 要真实全面地分析高炉过程，要解决一下难题： ( 1 ) 如何合理利用动量守恒、能量守恒和质量守恒以及流体的流动等理论， 建立真实的高炉数学模型； ( 2 ) 如何进行数值求解，解决复杂的耦合方程组； ( 3 ) 如何进行高炉的可视化指导高炉操作。 1 3 本课题的主要研究内容及方法 高炉炼铁过程包括多种同时发生的物理变化和化学反应，并且多种多相物质 共存且相互作用。为了适应高炉大型化的要求，需要对高炉内部现象有更全面的 了解。 本文拟研究的主要内容为： ( 1 ) 本文应用计算流体力学理论解析高炉炼铁过程，采用一系列的微分方程来描 述动量、能量守恒及传质过程，提出高炉炼铁复杂过程整体建模框架。 ( 2 ) 本模型将充分考虑高炉内部的化学反应模型。仿真出各阶段的化学反应速率 以及还原性气体的还原率分布。 ( 3 ) 确定高炉及死区的边界条件，稳态过程守恒方程中流量、扩散系数等项的插 值方法，利用控制体积法离散微分方程。 5 北京化工大学硕士学位论文 ( 4 ) 使用t d m a 法迭代求解离散方程，并对数据进行了可视化处理。 ( 5 ) 完成高炉生产过程的仿真，对炉内主要现象进行二维数学模拟解析。预测出 高炉内部的速度场和温度场，以及某些操作变量对高炉炉况的影响，为高 炉自动化的实现打下基础。 第二章高炉过程的建模理论 第二章高炉过程的建模理论 高炉过程包含传热、传质、化学反应等多个过程，涉及到热力学平衡、化学 动力学、传热、传质等多方面理论。本章首先介绍高炉炼铁的一般过程，高炉内 部的基本结构，各部分的形成过程。之后介绍建模过程中所需理论，通过一组通 用的控制方程，建立高炉过程建模的基本框架。另外，编程仿真了真实的还原反 应、碳的气化反应和水煤气转化反应在高炉内的情况，成功地将化学反应模型引 入高炉整体模型中。 2 1 高炉工艺过程 高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按 规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，焦炭和矿石在炉内呈现交替分层结 构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，最终从铁 口、渣口放出【2 2 】。 离炉炼铁生产工艺瀛程及主要设备麓图 焦旋 鬣辩毒 鬟琢 ? 剿 锕 - 萱穗舞孵8 高舻热麓妒 竣上褥车，t 。i 厂鬻 麓奔，等謦卿藏办彰。=一凌敬麓 稳涸 臻豢 1 ” 厂葛藤翥厂瓿烈腻茹 图2 - 1 高炉炼铁流程图 f i g 2 一lf l o wc h a r to fp r o c 鼯so fb l a s tf u m 觚e 下面将对高炉炼铁过程对简要的介绍。高炉炼铁过程的实质简单来说就是在 特定的环境下( 还原物质一氧化碳、氢气、碳、合适的温度) 将铁从铁矿石中还 原出来的过程。高炉炼铁法是从古代的竖炉炼铁法发展改进而来的，因其生产量 大，工艺简单等特点，成为现代炼铁的主要方法，生产量占世界铁总产量的百分 7 一一妙厶黼g 黼囵 北京化工大学顾十学位论文 之九十五以上【2 3 1 。 铁矿石、焦炭等原料从炉顶装入，预热过的空气从位于高炉下部的鼓风口吹 入。在高温的作用下，焦炭和高炉喷吹的煤粉中的碳发生燃烧反应产生还原性气 体( 一氧化碳和氢气) 。还原性气体不断上升，在上升过程中，传热给固体，并 发生还原反应，去除铁矿石中的氧，从而得到铁。最终的铁水从炉底排出，产生 的煤气从炉顶排出，经过除尘后作为热风炉、焦炉和锅炉等的燃料。 高炉冷却装置：高炉内部温度可高达2 0 0 0 。为了延长高炉内部耐火砖的 寿命，设计了高炉的冷却装置，用来导出炉内的热量。高炉冷却装置可按其结构 不同，分为外部喷水冷却、风口冷却、冷却水箱等【2 4 1 。 高炉灰：高炉灰是高炉伴随高炉煤气排出的炉料粉末。高炉灰的主要成分是 焦末和矿粉，数量的多少与炉料粉末、炉项压力、炉料的性质有关。炉尘可作为 铁矿石、烧结矿的代用品配入烧结矿中回收利用为有效控制烧结矿碱度【2 5 1 。 高炉除尘器：顾名思义，高炉除尘器可以收集高炉排出的煤气中所含的灰尘。 高炉除尘器的种类很多，主要有离心除尘器、重力除尘器、旋风除尘器、洗涤塔、 电除尘器等【2 6 1 。 高炉鼓风机：高炉鼓风机是最重要为高炉提供动力的设备【2 7 1 。这种鼓风机 虽然耗电量大，但是操作方便，成本低。 图2 _ 2 高炉结构 f i g 2 - 2s t m c t l i r eo fb l a s tf l l m a c e 8 第一二章高炉过程的建模理论 高炉的主要组成部分 炉壳：炉壳主要使用焊接的钢板，它的作用是固定冷却设备，保证高炉牢固， 密封。炉壳不仅要承受巨大的重力，还要承受内部的煤气压力，因此强度必须足 够。 炉喉：高炉本体的最上部分的呈圆筒形的结构叫做炉喉。这里是炉料的入口 同时也是煤气的出口。 炉喉护板：炉喉的环境十分恶劣，要接受炉料频繁地撞击和高温煤气的不断 冲刷。保护炉喉护板不被破坏是高炉上部调节的先决条件。炉喉护板主要有三种 形式：块状、条状和变径( 有调节炉料和煤气流分布的作用) 。 炉身：炉身呈圆锥台形，是铁矿石间接还原的主要区域。由上向下炉身的半 径逐渐变大。这种设计是为了减小炉料下降过程中的阻力，并避免炉料在遇热体 积膨胀后形成料拱【2 8 】。 炉腰：炉腰是炉身和炉腹的衔接部分，是直径最大的部分。在炉腰处，炉渣 形成，炉料的透气性降低，煤气流的阻力增大，因此要在炉腰与其他部位保持合 适的比例下取炉腰的最大值。炉腰的高炉一般变化不大，对炼铁过程的影响不明 显。 炉腹：炉腹呈现倒锥台形，是炉料熔化的主要区域。在炉腹处，炉料熔化， 体积收缩，因此炉腹的直径由上而下逐渐变小，由于炉腹的存在使得燃烧处于合 适位置，并且使得气流分布均匀【2 9 】。炉腹的大小根据高炉的容积而定，炉腹过 大不利于气流分布，炉腹过大不利于炉料顺行。 炉缸：炉缸呈圆筒形，是高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放的区域。炉 缸处设有出铁口、渣口和风口，因此它是承受物理和化学侵蚀最剧烈的部位，对 高炉煤气分布和产品的质量影响较大【3 0 】。 炉底：炉底砌体不仅要承受1 4 0 0 4 6 0 0 的高温，而且受到机械和化学侵 蚀，它的侵蚀程度是决定高炉寿命的重要因素。因此必须要对炉底进行冷却，使 砌体表面温度降低，并在炉底表面生成铁壳，只有这样才能阻止其进一步受到侵 蚀。 炉基：炉基是将所集中承担的重量的区域，其形状都是向下扩大的。高炉炉 基应在各种应力作用下都不应该产生裂缝，因此要求它具有足够的强度和耐热能 力。炉基通常是圆形或者多边形的。 炉衬：炉衬是由耐火材料砌筑而成的，能够抵抗高温作用。高炉炉衬包裹着 高炉的工作空间，并且可以起到减少高炉热损失的作用。此外炉衬还可以保护炉 壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀。炉衬的各部位工作条件不同，受损坏 的原因也多种多样，因此必须选用不同的耐火材料，满足部位、冷却和高炉操作 9 北京化工大学硕十学位论文 条件的需求。 2 2 高炉过程的基本方程 模型的控制方程就是流体流动的质量、动量和能量守恒方程，采用一系列偏 微分方程对炉内各相的行为以及高炉冶炼过程进行高精度的数学模拟。这些方程 之间是强耦合的，需同时求解。此模型中所有方程可以由下面这个方程的形式来 统一描述： ( 2 - 1 ) 杀( ) + 讲v ( 肿) = 机( r 刖d ) + s ， d 流体密度；i _ 速度矢量； r 有效扩散系数； s 源相；r 和s 对不同的变量矽具有不同的意义； 矽代表需要求解的变量，可以是u ，v ，w ，t 等变量，不同的求解变量 之间初了初始值和边界条件有区别外，r 和s 的表达式不同。 上述方程中的四项分别代表不稳定项，对流项，扩散项和源项。式中出现的 密度不能被描述成位置的函数，只能通过状态变量( 如质量分数和温度) 导出。 这些变量和速度分量都遵循上面的一般方程。此外，流场还应该满足另外一个约 束条件，那就是质量守恒或者叫做连续性方程，表达式如下： 等+ 咖( 脚) - 0 ( 2 2 ) 我们可以将( 2 一1 ) 和( 2 2 ) 写成向量的形式： 昙( 力) + 毒