KR搅拌结合底喷粉新型脱硫工艺的数值模拟

通过三维非稳态数学模型对KR机械搅拌结合包底喷粉脱硫工艺进行了研究,对比分析了在机械搅拌作用下,铁水包底喷粉位置对铁水流场和脱硫剂运动行为的影响。结果表明,当脱硫剂从靠近壁面位置(距离铁水包底中心0.8 R)喷入时,相较于从距离铁水包底中心0.4 R和0.6 R处喷入,脱硫剂在底部弱流区停留时间分别增加了100%和50%,运动范围分别增加了200%和80%,有效强化了底部弱流区的脱硫反应。相较于传统的表面连续添粉方式,从底部喷入脱硫剂能有效解决中心强制涡流区脱硫剂在脱硫反应前的团聚问题,降低了约40%的脱硫剂使用量,显著提高了脱硫效率。

KR法中桨叶结构对搅拌效率影响的数值模拟研究

KR法是铁水预处理中主流的脱硫方法。采用数值模拟方法研究了正四叶桨、螺旋三叶桨和双层正四叶桨三种桨叶的搅拌效率,结果表明:双层正四叶桨的混匀时间比正四叶桨短7.3%,比螺旋三叶桨短37.9%;通过对铁水中轴向速度、湍动能分布的分析发现,双层正四叶桨搅拌器中铁水轴向速度更大,并且铁水中湍动能广泛扩散,双层正四叶桨的平均湍动能比正四叶桨大28%,比螺旋三叶桨大1.8%。

桨叶喷吹铁水脱硫的数值模拟研究

KR法虽然在深脱硫和超深脱硫方面优势明显,但由于KR法搅拌的混合特性,使得大部分脱硫剂会在中心强制涡流区发生团聚。为了改善脱硫剂的团聚情况,本文利用三维非稳态数学模型对桨叶不同位置喷脱硫剂的KR脱硫过程进行研究。结果表明:气体上浮推动铁水向上流动,会对铁水包两侧的自由涡流区产生影响;当喷嘴位置分布在桨叶侧面时,其气羽能够推动铁水向壁面流动,相较于喷嘴分布在桨叶底面,有利于增大自由涡流区强度,减小底部弱流区。相较于桨叶底吹,桨叶侧吹的铁水混匀时间减少13%,且使得更多脱硫剂进入底部弱流区,扩大脱硫剂的运动范围,降低其凝并程度,从而提高其脱硫效率。

桨叶底部喷吹脱硫剂KR过程的模型研究

KR(Kambara Reactor)法脱硫过程中脱硫剂的凝并会使比表面积减小,从而影响脱硫效率。利用三维非稳态数学模型对桨叶底部喷吹脱硫剂的KR过程进行研究,对比喷嘴个数与喷嘴位置对流场及脱硫剂运动的影响,结果表明,与单喷嘴相比,双喷嘴能使铁水流场更加均匀,铁水混匀所需时间减少18%,使脱硫剂分布范围更广,从而降低脱硫剂的凝并程度;喷嘴靠近桨叶中心有利于增大自由涡流区的强度,使包内铁水更快混匀,更多脱硫剂进入底部弱流区,有利于提高脱硫效率。

KR法脱硫搅拌桨叶几何结构优化

KR(kanbara reactor)法是铁水预处理阶段稳定深度脱硫的首选工艺,广泛应用于现代炼钢工业,其通过浸入铁水中的桨叶搅拌带动铁水与脱硫剂混合,因而具有良好的动力学特性。然而,搅拌过程中桨叶附近存在强制涡流区,脱硫剂在参与反应前大量凝并导致利用率较低。因此,设计了2种简便易行的新型搅拌桨(错位式搅拌桨、高低式搅拌桨),旨在通过相邻桨叶的高度差强化桨叶附近的轴向流动,破坏强制涡流区流动特征,增强铁水微元间的相对流动,进而减少强制涡流区对KR法脱硫混匀效果的不利影响,提高铁水与脱硫剂的混合效果。采用VOF(volume of fluid)和DPM(discrete phase model)建立了KR法搅拌过程的三维瞬态数学模型,对比分析了传统四叶桨及2种新型结构搅拌桨的铁水流动、颗粒分散程度、死区范围及液面以下颗粒比例等的影响。数值模拟结果表明,新型桨叶相比传统桨叶供给铁水更多的轴向速度。错位式桨叶和高低式桨叶强化了脱硫剂分散程度,其量化颗粒分散程度Sigma值分别低于传统四叶桨约9.49%、14.18%,脱硫后脱硫剂平均粒径相比传统桨叶工况分别降低约14.91%、13.38%。使用高低式搅拌桨在300 t铁水包进行工业试验,结果表明,高低式桨叶相比同期传统四叶桨平均单硫单耗降低0.27 kg。