干熄炉内传热和流体流动的数学模型_图文

1、第卷第期年月热科学与技术文章编号：（）一干熄炉内传热和流体流动的数学模型刘华飞，张欣欣（北京科技大学热能工程系，北京）摘要：干熄焦工艺具有节能和环保双重效益，其基本原理是利用循环惰性气体冷却焦炭。根据多孔介质理论，采用非达西流和非局域热平衡方法，建立了干熄炉内流体流动和传热的数学模型，并采用基于非正交同位网格的方法求解对流扩散方程。通过数值求解，得到了干熄炉内气体速度、压降以及气体和焦炭的温度分布规律，计算结果表明熄焦过程解决焦炭温度偏析的关键是改善布料时焦炭粒度分布的均匀性。关键词：干熄焦；多孔介质；非达西流；非局域热平衡；非正交网格；数学模型中图分类号：文献标识码：引言物理数学模型干法熄焦

2、是利用惰性气体（或废烟气）作为循环气体在干熄炉中与炽热红焦换热从而冷却熄灭红焦。吸收了红焦热量的惰性气体，经一次除尘器除尘后，在干熄焦锅炉内释放热量，产生中压（或高压）蒸汽用于供暖或发电。循环气体经二次除尘后，再由风机鼓入干熄炉循环使用。干法熄焦（）相对于湿法熄焦（）具有以下优点：可回收约的红焦显热；避免湿法熄焦对环境的污染；能提高焦炭强度，有利于高炉冶炼。鉴于干法熄焦工艺的节能和环保双重效益，前苏联和日本在其国内的多数大型焦化厂都配备了干熄焦装置。我国自年代以来也陆续从前苏联和日本引进了十几套装置。干熄焦技术的核心是干熄炉内循环气体流动和循环气体与红焦之间热交换的规律，它是干熄焦装置大型化要

3、解决的关键问题。干熄炉内循环气体自下而上、红焦自上而下运动，二者在逆向运动中完成熄焦过程。这个过程从本质上讲是气体在焦炭颗粒组成的多孔移动床内的强迫对流换热。本文根据多孔介质理论，采用非达西流和非局域热平衡方法建立了熄焦过程的数学模型，并应用数值计算方法研究了不同情况下干熄炉内气体速度、气固温度分布和气体压降的变化规律，分析了影响焦炭温度偏析的主要因素。干熄炉流体流动和传热模型为了研究问题的方便，并突出该过程的物理本质，本文将实际的干熄炉抽象为二维轴对称变径圆柱模型。如图所示，并引入如下假设：，底部：焦炭出口，气体入炉图干熄炉物理模型（）炉内焦炭床为各向同性的多孔介质，不考虑焦炭本身的多孔性及

4、高温下形变；收稿日期：；修回日期：作者简介：刘华飞（一），男，博士研究生；张欣欣（一），男，教授，博士生导师万方数据热科学与技术第卷（）炉内气体流动被认为是单相二维轴对称稳态非流；（）炉内气体视为不可压缩流体，但密度的变化遵从等压理想气体状态方程，即忽略压力对密度变化的影响；（）忽略辐射传热的影响，并假定焦炭与气体在熄焦过程中不发生化学反应；（）为简化边界条件，于熄炉外壁及中心风帽外壁的散热均按恒热流处理。由上述物理模型，基于模型的流体流动和传热的控制方程包含连续方程、动量方程、能量方程和状态方程如下：连续方程掣一彳（）一（）动量方程（）（）（）一一：一。甜打差（肚警）昙（警）一阳一等“一砧焉

5、，九而池一站（）（）（珊饥）（户）一扣一一：一一如丕（触警）了导警卜隐等厄万赢考虑焦炭内部导热、气体导热及热弥散的非局域热平衡能量方程下（）吾掣一三（九誓），一手昙挑等）（丁。一丁；）（）掣一孙，叫罟）昙）等）（丁。一丁。）（）等压理想气体状态方程丁常数（）匕述式中：“、计分别为气体、方向的容积平均流速分量，；“。为焦炭下降速度，；户为流体压力，；丁为温度，；胁为气体密度，风为焦炭堆密度，；为比定压热容，（）；为导热系数，（）；为动力粘度，；为孔隙率；，为焦炭颗粒当量直径，；为重力加速度，且一；下标，分别代表流体和固体。热弥散导热系数凡，（）；惯性系数和渗透系数，；它们的表达式分别为凡一，“十

6、口（，）一去，一群岛式中：为形状系数，且一；、为常数，且一，一。气体对焦炭的容积对流换热系数矿，（）采用公式计算，其表达式为恚忐志。（一）九“。一带（）式中：“。为标况下气体流速。采用萨斯科夫和洛别斯卡娅提出的公式计算焦炭床孑隙率：一×（口）（）式中：口，口。为筛级组成，；相应地，依次为以、。上述控制方程的边界条件为干熄炉底部：驴，钠血川，署（）干熄炉顶部：砒一口产，李一。一（）中心风帽：，讪血川，警一）斜道：塾一垫一坠；坠一（）、万方数据第期刘华飞等：于熄炉内传热和流体流动的数学模型干熄炉和风帽外壁：驴驴，一九警一一九识一（）对称轴线上：警一警一誓一咖，：（，毋毋毋式中：札。，口。

7、，。分别为干熄炉底部气体的风速和温度；札。：，口。，。分别为风帽处气体喷出的速度和温度；丁“。为焦炭入炉温度；为壁面热流密度；规为边界面的外法线方向。计算方法和结果分析以国内某钢厂干熄炉的外形尺寸和工艺参数为基本数据，对干熄炉内的流体流动与气固换热进行了数值模拟，主要研究焦炭粒径分布对熄焦过程的影响。表为计算用参数。数值方法与计算网格根据干熄炉的外形尺寸生成三重非正交的适体网格，相邻网格间的网格倍数为。生成的三重网格沿、方向的数量分别为×，×和×；图为第一重网格。将方程（）（）在非正交同位网格上离散，对于界面的对流通量采用延迟修正的方法计算。延迟修正中高阶格式采用

8、中心格式，低阶格式采用上风格式，界面的扩散通量采用中心差分。离散后的方程采用基于同位网格的算法求解。图第一重网格表干熄炉的工艺参数结果分析图和给出第三重网格上的计算结果。其中，图的循环气体流量为，且不采用料钟布料；图的循环气体流量为，采用料钟布料。料钟布料时，粒径分布为。（尺）一；无料钟布料时，粒径分布为。（）一，其中：。由图（）可见，气体速度沿径向分布不均匀，周边高，中心低，存在明显的“沟流”现象；而且越接近斜道口，这种速度的偏析现象越严重。速度偏析的主要原因有两个：（）焦炭粒度分布不均匀，粒度大的焦炭富集在炉子周边，再加上壁面效应，形成有利于气体流动的通道；（）现代干熄炉普遍采用预存段来存

9、储焦炭，以便在装料间隙和焦炉推焦中断时起缓冲作用，排气斜道布置在周边，这种结构必然形成气体向周边运动从斜道排出。由于设置预存段是熄焦工艺的需要，炉型的影响是这种结构的干熄炉所固有的，只有通过改变布料粒度分布来改善气体速度的偏析。万方数据热科学与技术第卷气体压力分布如图（）所示。预存段气体压力变化不大，符合实际设计中避免循环气体外泄的原则。由于气体从斜道口排出，在其附近出现负压。压力损失主要在冷却段，压力沿径向分布的不均匀是由于径向粒径变化造成的。图（）和图（）分别为气体和焦炭的温度分布。可以看出焦炭在下降过程中干熄炉中心处冷却效果最差，从预存段到风帽上部附近焦炭仍然维持左右的高温，热焦炭的范围

10、一直扩展到靠近出料口处。图（）和图（）分别为循环气体流量为，并采用料钟布料时气体速度和焦炭温度分布。由图可以看出，如果布料均匀，气体速度和焦炭温度沿径向分布的不均匀性都会显著改善，干熄炉中心处的焦炭的温度能降低到工艺要求的范围。注意到图（）和图（）中循环气体流量为，所以计算表明即使气焦比较小，也能得到较好的冷却效果。因此，焦炭温度沿径向分布的不均匀主要是由于布料的不均匀造成的，解决温度偏析的关键是改善干熄炉内焦炭分布。（）（”（）（）（）气体速度分布（）气体压降分布（）气体温度分布（）焦炭温度分布图气体、焦炭参数计算结果（）（）气体速度分布（）焦炭温度分布图气体速度和焦炭温度分布结论（）根据多

11、孔介质理论，采用非达西流和非局域热平衡方法，建立了描述干熄炉内流体流动和传热的数学模型。（）干熄炉内焦炭粒度分布的均匀性是影响气体速度和气固温度分布的主要因素，布料不均匀会造成干熄炉冷却段径向气体速度和气固温度的严重偏析。（）改变布料方式使布料时焦炭粒度均匀分布是解决干熄炉内焦炭温度偏析的关键。参考文献：，（）：，干法熄焦李哲浩，等译北京：冶金工业出版社，（）：】万方数据第期刘华飞等：干熄炉内传热和流体流动的数学模型。（，）：（），：（）；¨“¨¨¨吣¨¨一¨¨¨¨¨一¨一&

12、#168;¨¨一高等学校工程热物理研究会第十届全国学术会议征文通知根据年高等学校工程热物理研究会第十届理事会第一次会议决定，将于年月在安徽省合肥市举行高等学校工程热物理第十届全国学术会议，征文要求如下：征稿范围：（）工程热力学；（）传热传质学；（）燃烧学；（）热流体力学；（）热物性与热物理量测技术。凡高等学校工程热物理学科的教师、科技工作者和研究生，有关能源及其综合利用、热能工程、制冷、热泵、蒸汽动力工程、内燃机、涡轮机、压气机、热物理量测及计算技术等方面的论文均可投稿。来稿请寄一式二份，请在稿件的左上角注明论文所属的类别（按征稿范围中所列分类、和标注）。应征论文要求观点明确、论据充分、公式正确、数据准确、图表清晰、文字简练。具体格式要求参见封三热科学与技术投稿须知。经专家评审录用的论文将由研究会统一编号，并通知作者统一的打印格式。研究会将作者寄回的打印稿，统一制版、印刷并出版论文集。凡在国内外公开刊物、书籍和全国性学术会议上发表过的论文，恕不接受，作者请勿一稿两投。所投稿件录用与否，恕不退稿，请作者自留底稿。应征论文请寄至