干熄炉内传热和流体流动的数学模型.pdf

第1卷第2期 热 科 学 与 技 术 V01．1．No．2 2002年12月 ofThermalScienceand Dec．2002 Journal Technology 文章编号：1671—8097(2002)02一0113—05 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 100083) 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SIMPLE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：TQ52文献标识码：A 0 引 言 1 物理数学模型 干法熄焦是利用惰性气体(或废烟气)作为 1．1 干熄炉流体流动和传热模型 循环气体在干熄炉中与炽热红焦换热从而冷却熄 为了研究问题的方便，并突出该过程的物理 灭红焦。吸收了红焦热量的惰性气体，经一次除尘 本质，本文将实际的干熄炉抽象为二维轴对称变 器除尘后，在干熄焦锅炉内释放热量，产生中压 径圆柱模型。如图1所示，并引入如下假设： (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 (CDQ)相对于湿法熄焦(CWQ)具有以下优点： 可回收约80％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80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 ， 底部：焦炭出口，气体入炉 强迫对流换热。本文根据多孔介质理论，采用非达 图1 干熄炉物理模型 西流和非局域热平衡方法建立了熄焦过程的数学 Schematicofthe 模型，并应用数值计算方法研究了不同情况下干 Fig．1 diagramphysicalsystem 熄炉内气体速度、气固温度分布和气体压降的变 (1)炉内焦炭床为各向同性的多孔介质，不 化规律，分析了影响焦炭温度偏析的主要因素。 考虑焦炭本身的多孔性及高温下形变； 收稿日期：2001—05—12；修回日期：2002—08—03． 作者简介：刘华飞(1974一)，男，博士研究生；张欣欣(1957一)，男，教授，博士生导师 万方数据 热 科 学 与 技 术 第l卷 (2)炉内气体流动被认为是单相二维轴对称 流速分量，m／s；“。为焦炭下降速度，m／s；户为流 稳态非Darcy流； 体压力，Pa