2kg試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)煉焦過程流動(dòng)、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(dòng)等現(xiàn)象，并分析水分含量對(duì)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(yàn)焦?fàn)t煉焦過程中的傳輸現(xiàn)象。煉焦過程中，焦餅溫度會(huì)受到煙道回流空氣的影響，頂部裝爐煤成焦所需時(shí)間較長。在水蒸氣冷凝的作用下，裝爐煤中心水分含量會(huì)在焦化過程中逐漸升高，并使裝爐煤中心溫度達(dá)到100 ℃時(shí)形成恒溫平臺(tái)。
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(duì)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(yàn)是研究優(yōu)化工業(yè)焦?fàn)t生產(chǎn)工藝、預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量的有效手段。然而，試驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，且焦化過程中復(fù)雜的傳輸行為(流動(dòng)、傳熱、水分蒸發(fā)冷凝及揮發(fā)分析出)對(duì)結(jié)焦過程的影響難以測(cè)量。因此，能夠充分反映焦化過程中各項(xiàng)傳輸行為且對(duì)環(huán)境友好的數(shù)值模擬計(jì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)結(jié)焦時(shí)間的影響。Buczynski R等對(duì)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(cè)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(jì)算了焦化過程中的揮發(fā)分析出流動(dòng)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(dòng)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(dòng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，研究試驗(yàn)焦?fàn)t內(nèi)裝爐煤焦化過程的報(bào)道較少。因此，本文以實(shí)驗(yàn)室2 kg焦?fàn)t煉焦過程為研究對(duì)象，基于計(jì)算流體力學(xué)方法，建立了裝爐煤焦化過程流動(dòng)、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(dòng)、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(shí)，也為優(yōu)化試驗(yàn)流程及現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)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(yàn)測(cè)溫結(jié)果呈相同趨勢(shì)。
(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(duì)荒煤氣流動(dòng)的阻礙，在靠近爐墻側(cè)會(huì)形成低速流動(dòng)區(qū)，炭化室爐墻受到的膨脹壓力較小。試驗(yàn)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(shí)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(huì)在100 ℃左右形成恒溫平臺(tái)，且水分含量越大，恒溫平臺(tái)持續(xù)時(shí)間越長。
