何海熙 謝 皓 孫小東 徐 燦 張 杰 王 賢 顏 新

(1. 中冶賽迪信息技術(shù)(重慶)有限公司智能煉鐵部，2．中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司煉鐵事業(yè)部)

近年來，高爐噴煤技術(shù)作為改變高爐能源結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]，已經(jīng)發(fā)展成為煉鐵行業(yè)不可或缺的工藝環(huán)節(jié)，煉鐵工作者對噴煤技術(shù)革新的關(guān)注也越來越多，新建高爐或改造高爐必須設(shè)置噴煤設(shè)施[4]。

隨著高爐噴煤技術(shù)的發(fā)展，通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計方案，降低噴煤能耗和成本成為重要的研究方向。文章以附加壓降理論為基礎(chǔ)，采用理論計算、中試實驗與工程驗證相結(jié)合，建立了一套適合于高爐噴吹煤粉壓降模型，期望為進一步降低噴吹能耗提供理論支撐。

1 噴煤壓降模型概述

高爐噴煤是利用高壓氣體，將噴吹罐內(nèi)煤粉通過管道輸送至煤粉分配器，再經(jīng)煤粉分配器均勻分配到各煤粉支管，最后由煤粉支管末端噴槍噴入高爐內(nèi)，該過程阻力損失屬于氣力輸送領(lǐng)域范疇。

目前氣力輸送領(lǐng)域計算管道壓降主要有壓降比法、經(jīng)驗公式法、力平衡法和附加壓降法。壓降比法和經(jīng)驗公式法模型非常簡單，但精度低，工程應(yīng)用普適性比較差；力平衡法精度高，但模型建立難度大。國內(nèi)外眾多學(xué)者對煤粉管道的阻力特性進行過很多研究，主要針對附加阻力系數(shù)建立了大量模型，見表1。但由于試驗條件不同，所獲得的模型也不盡相同。僅從試驗條件來看，池作和、黃萬杰等人的研究與實際工程比較接近，但僅單獨分析了附加阻力系數(shù)與固氣比或弗勞德準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系，并未統(tǒng)一考慮弗勞德數(shù)、固氣比和物料物性參數(shù)對阻力特性的影響。

表1 煤粉管道附加阻力系數(shù)λs模型

文章結(jié)合目前高爐噴煤的發(fā)展趨勢，采用附加壓降法，通過中試實驗裝置進行驗證，建立精度較高的煤粉管道壓降模型。

2 壓降阻力系數(shù)中試實驗研究

2.1 實驗裝置及方案介紹

利用中試實驗平臺，開展不同管徑組合方式的實驗，研究在不同管道長度、不同噴吹量時管道阻損與氣體流速的關(guān)系，構(gòu)建純氣體阻力模型、附加阻力模型。

實驗物料參數(shù)和實驗平臺的條件分別如表2和表3，與實際工程接近。實驗采用壓縮空氣輸送無煙煤粉，壓縮空氣最高輸送壓力0.6 MPa，無煙煤粉來源于實際工程，粒度<74 μm比例73.6%，松裝密度684 kg/m3。輸送管道采用DN65～DN100無縫鋼管，最高噴吹能力18 t/h，相當(dāng)于1 000級高爐實際噴吹量。

表2 實驗物料參數(shù)

表3 實驗平臺相關(guān)條件

不同管道組合的實驗方案見表4所示。方案1為純氣體阻力實驗，總長度200 m(其中D76管道與D108管道各100 m)，方案2～方案4為不同管徑和長度組合下的煤粉輸送實驗方案，其中方案2管道總長度為400 m(D76管道與D108管道各200 m)，方案3管道總長度為700 m(D76管道長200 m，D108管道長500 m)。方案4管道總長度為1 000 m(D76管道長500 m，D108管道長500 m)。每根管道的起始和結(jié)束段均安裝差壓變送器，測量管道差壓和壓力。壓縮空氣流量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計。

表4 實驗方案

2.2 純氣體阻力系數(shù)結(jié)果分析

通過方案1測定管道阻力損失ΔP與壓縮空氣流速V之間關(guān)系，結(jié)果見圖1和圖2所示。D76和D108的管道壓降ΔP隨著氣體流速V的增大呈指數(shù)型增加，即ΔP∝V1.7～1.9(D76，ΔP=0.045 6×V1.896 9；D108，ΔP=0.065×V1.738)，實驗相關(guān)性R2均超過0.99。

圖1 D76管道壓差ΔP與流速V關(guān)系

圖2 D108管道壓差ΔP與流速V關(guān)系

通過回歸分析得到純氣體阻力系數(shù)λg與雷諾數(shù)Re之間關(guān)系為：D76，λg=0.426 7Re-0.23，R2=0.991 1，見圖3；D108，λg=0.405 3Re-0.237，R2=0.915 8，見圖4。將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行多元線性回歸，得到純氣體阻力系數(shù)表達式為：λg=0.41Re-0.23。

圖3 D76管道純氣體阻力系數(shù)回歸模型

2.3 附加阻力系數(shù)結(jié)果分析

大量理論分析和實踐經(jīng)驗表明，附加阻力系數(shù)與以下各參數(shù)之間存在一定關(guān)系即：

λs=f(vg,ρg,ρs,dp,D,g,μ)

(1)

式中：vg為氣體速度，m/s；ρg，ρs分別為氣、固兩相真實密度，kg/m3；dp，D分別為固體顆粒平均粒徑和管徑，mm；μ為固氣比，kg/kg。

根據(jù)量綱和諧原理，可將附加阻力系數(shù)的表達式整理為：

λs=a0Fra1(ρs/ρg)a2(D/ds)a3μa4

(2)

式中：Fr為弗勞德數(shù)，與氣體速度和管道直徑有關(guān)，F(xiàn)r=v(gD)-0.5。

在實驗中，煤粉主管選取標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管，管徑一般在65～100 mm之間，為簡化計算，式中管徑對附加阻力系數(shù)的影響可通過弗勞德準(zhǔn)數(shù)形式表征。通過實驗獲得不同實驗方案下，附加阻力系數(shù)表達式分別為：D76,λs=6.0Fr-2.0μ-0.4,R2=0.94;D108,λs=1.4Fr-1.8μ-0.2,R2=0.84。將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行多元線性回歸，得附加阻力系數(shù)λs=0.7Fr-1.4μ-0.2。

綜上，利用實驗平臺開展不同管徑組合方式下實驗研究，構(gòu)建高爐噴煤壓降預(yù)測模型ΔP=(λg+λsμ)×ρgv2/2g×ΔL/D，λg=0.41Re-0.23，λs=0.7Fr-1.4μ-0.2。

3 壓降模型工程驗證

將文章獲得的高爐噴煤壓降預(yù)測模型在實驗平臺和企業(yè)A、B和C上進行驗證，驗證結(jié)果見表5。

表5 壓降模型測試和驗證結(jié)果

從驗證結(jié)果來看，該模型在中試實驗平臺與實際工程項目中結(jié)果接近，整體預(yù)測精度較高，相對誤差在4%～7%以內(nèi)，絕對誤差在0.05 MPa以內(nèi)。實踐證明該模型能夠根據(jù)高爐生產(chǎn)對噴煤量的調(diào)整需求，精準(zhǔn)預(yù)測噴吹罐壓，從而在保障穩(wěn)定噴煤量的同時，有效避免能源浪費。

將此模型應(yīng)用到企業(yè)A、B和C中產(chǎn)生誤差的主要原因為：

(1)建立模型時，假定煤粉和氣體在任一管道斷面面積比恒定不變，氣固兩相流連續(xù)流動。但實際工程中煤粉在管道內(nèi)流動是間斷性的，而且其流動狀態(tài)也并非恒定不變，懸浮流、分層流和沙丘流均可能存在。

(2)在建立模型時，計算得到的氣體密度、氣體速度、弗勞德準(zhǔn)數(shù)及雷諾數(shù)均為平均值。同時以分配器壓力為初始值，通過迭代計算得到的氣體速度和噴吹罐壓力也為平均值。因此，在一定程度上影響了模型的精度，但仍然在工程接受范圍。

4 結(jié)語

文章以附加壓降模型為基礎(chǔ)，通過量綱分析方法，利用中試平臺開展實驗研究，建立了高爐噴吹煤粉管道壓降模型。該模型通過計算高爐噴吹煤粉在管道內(nèi)的壓降，根據(jù)實際工況能夠準(zhǔn)確預(yù)測噴吹罐壓力，精度為4%～7%以內(nèi)。該模型建立一方面對于優(yōu)化高爐噴煤工程設(shè)計提供了一定理論支持，另一方面，在生產(chǎn)實踐中，可根據(jù)高爐生產(chǎn)對噴煤量的調(diào)整需求，通過精準(zhǔn)預(yù)測噴吹罐壓，在穩(wěn)定噴煤量的同時，有效避免能源浪費。