2kg試驗焦?fàn)t煉焦過程傳輸行為的數(shù)值模擬
仇灝1，劉和平2，張雪紅3
(1. 鋼鐵研究總院有限公司先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點(diǎn)實驗室， 北京 100081；2. 中國鋼研科技集團(tuán)有限公司數(shù)字化研發(fā)中心， 北京 100081；3. 寶鋼股份中央研究院武漢分院， 湖北 武漢 430080)
摘要：為了研究煉焦過程中煤傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象的規(guī)律，建立2 kg試驗煉焦過程流動、傳熱及傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型。模型中將裝爐煤/焦餅假設(shè)為多孔介質(zhì)，結(jié)合水分蒸發(fā)冷凝與揮發(fā)分析出子模型，模擬了配合煤焦化過程中的傳熱、水分傳遞、揮發(fā)分析出及荒煤氣流動等現(xiàn)象，并分析水分含量對煤層中心溫度的影響。結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模型可反映試驗焦?fàn)t煉焦過程中的傳輸現(xiàn)象。煉焦過程中，焦餅溫度會受到煙道回流空氣的影響，頂部裝爐煤成焦所需時間較長。在水蒸氣冷凝的作用下，裝爐煤中心水分含量會在焦化過程中逐漸升高，并使裝爐煤中心溫度達(dá)到100 ℃時形成恒溫平臺。
關(guān)鍵詞：焦化； 多孔介質(zhì)； 數(shù)值模擬； 水分蒸發(fā)冷凝； 揮發(fā)分析出
1 引言
中國是鋼鐵生產(chǎn)大國，也是世界上第一大焦炭生產(chǎn)國。隨著國內(nèi)節(jié)能環(huán)保要求及冶金技術(shù)的不斷提高，對優(yōu)化工業(yè)焦?fàn)t生產(chǎn)工藝、提高焦炭質(zhì)量的需求也日益增加。煉焦試驗是研究優(yōu)化工業(yè)焦?fàn)t生產(chǎn)工藝、預(yù)測焦炭質(zhì)量的有效手段。然而，試驗中會產(chǎn)生大量煙氣，且焦化過程中復(fù)雜的傳輸行為(流動、傳熱、水分蒸發(fā)冷凝及揮發(fā)分析出)對結(jié)焦過程的影響難以測量。因此，能夠充分反映焦化過程中各項傳輸行為且對環(huán)境友好的數(shù)值模擬計算方法就逐漸成為不少研究者研究焦化過程的重要手段。
早期Merrick D等研究者對煉焦過程中揮發(fā)分析出、裝爐煤傳熱現(xiàn)象等進(jìn)行了全面的研究分析，建立了一套描述焦化過程整體參數(shù)變化的數(shù)學(xué)模型。之后，部分研究者通過簡化傳輸行為來模擬研究裝爐煤結(jié)焦過程。Kardas＇ D等通過一維模型研究了濕煤焦化過程中水分含量對裝爐煤傳熱及爐內(nèi)壓力的影響。JIN K等耦合模擬了燃燒室燃燒及炭化室煉焦過程，研究了工藝參數(shù)和操作參數(shù)對結(jié)焦時間的影響。Buczynski R等對焦?fàn)t熱回收系統(tǒng)、焦?fàn)t炭化室等進(jìn)行了數(shù)值模擬，其中以一維模型預(yù)測并研究了裝爐煤焦化過程中沿炭化室高度方向煤層的傳熱、水分蒸發(fā)及揮發(fā)分析出等現(xiàn)象的規(guī)律。隨著模型的日益完善，近年來很多研究者更為詳細(xì)地計算了焦化過程中的揮發(fā)分析出流動現(xiàn)象。TANG Hui-qing等使用PHOENICS軟件模擬了裝爐煤焦化過程中揮發(fā)分的析出現(xiàn)象。LIN W等增加了平行反應(yīng)模型，研究了6 m焦?fàn)t中床層溫度、荒煤氣成分分布及流動路徑的變化規(guī)律。
目前在考慮水分遷移和揮發(fā)分析出流動現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，研究試驗焦?fàn)t內(nèi)裝爐煤焦化過程的報道較少。因此，本文以實驗室2 kg焦?fàn)t煉焦過程為研究對象，基于計算流體力學(xué)方法，建立了裝爐煤焦化過程流動、傳熱、傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，研究了焦?fàn)t內(nèi)裝爐煤焦化過程中的熱量傳輸、荒煤氣流動、水分遷移及揮發(fā)分析出等現(xiàn)象的規(guī)律，為研究工業(yè)焦?fàn)t炭化室內(nèi)結(jié)焦過程奠定基礎(chǔ)的同時，也為優(yōu)化試驗流程及現(xiàn)場生產(chǎn)工藝提供理論參考。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1) 建立了二維2 kg試驗焦?fàn)t焦化過程數(shù)學(xué)模型，裝爐煤中心溫度的模擬結(jié)果與試驗測溫結(jié)果呈相同趨勢。
(2) 焦化過程中，在爐頂及裝爐煤中荒煤氣的傳熱影響下，煤層上部水分蒸發(fā)較快，最后的剩余水分在冷凝現(xiàn)象的作用下集中于煤層中心下部，且蒸發(fā)前水分含量大于初始水分含量。炭化室中部裝爐煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到12%以上。
(3) 在焦化后期，由于揮發(fā)分的充分釋放及焦餅對荒煤氣流動的阻礙，在靠近爐墻側(cè)會形成低速流動區(qū)，炭化室爐墻受到的膨脹壓力較小。試驗及工業(yè)煉焦過程中需要減少煙道回流空氣，可以降低焦餅成熟時間。
(4) 在水分蒸發(fā)冷凝現(xiàn)象的作用下，裝爐煤中心溫度會在100 ℃左右形成恒溫平臺，且水分含量越大，恒溫平臺持續(xù)時間越長。
