干熄爐的數(shù)值模擬分析

供稿|張麗珠，畢延林，黃德立 / ZHANG Li-zhu, BI Yan-lin, HUANG De-Li

干熄爐的數(shù)值模擬分析

Numerical Simulation Analysis on CDQ Stove

供稿|張麗珠，畢延林，黃德立 / ZHANG Li-zhu, BI Yan-lin, HUANG De-Li

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

干熄爐是干熄焦裝置中最重要的設(shè)備之一，在干熄焦冷卻循環(huán)系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用。本文以濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司（簡稱公司）所設(shè)計研制的干熄爐為模型，使用Fluent軟件對其進行數(shù)值模擬計算。在計算過程中將干熄爐內(nèi)焦炭的冷卻過程抽象為焦炭顆粒組成的多孔移動床與逆向流動的循環(huán)氣體間的強迫對流換熱[1]，這個過程既涉及到氣體在多孔床層內(nèi)的流動，又涉及到豎爐內(nèi)焦炭的下降運動，還要考慮二者間的熱量交換。

數(shù)值模型

研究一個復(fù)雜的工程實踐問題的基本思想是把復(fù)雜的問題進行合理的抽象，即建立該問題的數(shù)學(xué)模型，這是解決整個問題的核心內(nèi)容。本文主要根據(jù)公司所設(shè)計的160 t/h干熄爐的爐型特點，通過必要的簡化處理獲得物理模型，進一步通過網(wǎng)格劃分得到計算模型。根據(jù)公司所設(shè)計的干熄爐的結(jié)構(gòu)尺寸，由GAMBIT直接繪制，如圖1所示。

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有著極好的適應(yīng)性，尤其對具有復(fù)雜邊界的流場計算問題特別有效。FLUENT5.0以后的版本都支持非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[2]。在本研究中，由于模型形狀比較復(fù)雜的物體，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格建模比較困難，鑒于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適應(yīng)性較好的特性，本次計算采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并分塊構(gòu)造，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 干熄爐幾何模型示意圖

物性參數(shù)及邊界條件

干熄爐熱態(tài)模擬的關(guān)鍵在于流固耦合傳熱，在用GAMBIT建模和畫網(wǎng)格時將循環(huán)氣體與焦炭之間的網(wǎng)格建成相互連接的網(wǎng)格，否則流體和固體間無法實現(xiàn)耦合傳熱。

圖2 干熄爐模型網(wǎng)格劃分

結(jié)果與分析

流場模擬

計算過程中假定焦炭為冷態(tài)，計算冷態(tài)情況下的循環(huán)氣體流動情況。

（1）速度云圖及矢量圖

結(jié)果收斂后，選取環(huán)形集氣道處建立截面，分析循環(huán)氣體流量 分 別 1.622×105、1.84×105、2.2×105及 2.37×105m3/h 時的速度云圖及速度矢量圖。環(huán)形集氣道內(nèi)氣體沿切線方向流動，且內(nèi)側(cè)流速比外側(cè)流速快，從環(huán)形集氣道兩側(cè)過來的氣流在出口處匯集。而且環(huán)形集氣道內(nèi)氣流流速最大處在環(huán)形集氣道的出口處，隨循環(huán)氣體流量的加大，該處的速度云圖顏色加深，當(dāng)循環(huán)氣體流量為 2.37×105m3/h時，出口截面的平均流速為15 m/s，該處最大流速為26 m/s。位于出口對面的環(huán)形集氣道內(nèi)速度較小。而干熄爐焦炭內(nèi)氣流的速度很小（<1m/s）。

（2）壓力云圖及中軸線壓力分布

分析以上循環(huán)氣體流量時的壓力云圖及中軸線壓力分布圖可知：循環(huán)氣體的流量不影響干熄爐內(nèi)壓力分布的趨勢，僅影響壓力梯度的大小。干熄爐內(nèi)有壓力梯度的區(qū)域位于入口（5 m左右）至出口上沿（14 m左右），出口以上壓力梯度很小。壓力場的分布將影響溫度場的分布。

干熄爐內(nèi)壓降隨循環(huán)氣體流量的增大而增加，其函數(shù)關(guān)系為：y = 19.602x2-309.85x + 3224.6，x為循環(huán)氣體流量（104m3/h）；y為干熄爐內(nèi)壓力損失（Pa）。

非穩(wěn)態(tài)溫度場模擬

在干熄爐熱態(tài)模擬中，由于難以模擬熱焦炭裝入和冷焦炭排出的穩(wěn)態(tài)過程，本次模擬采取將熱焦炭充滿干熄爐，模擬循環(huán)氣體將整爐焦炭完全冷卻的非穩(wěn)態(tài)過程，以循環(huán)氣體流量為18.4×105m3/h為例，根據(jù)計算結(jié)果分析熱焦炭在干熄爐內(nèi)冷卻的規(guī)律。

（1）分析焦炭分別冷卻10、20、30、40及50 min的溫度分布和干熄爐中軸線上的溫度分布圖。

冷卻10 min時，中心風(fēng)口與邊部風(fēng)口的冷卻區(qū)域各自獨立。而且從風(fēng)帽上部（5.4 m）開始，焦炭溫度快速升高，存在溫度梯度的焦炭層厚度約2.5 m。

冷卻20 min時，中心風(fēng)口與邊部風(fēng)口的冷卻區(qū)域已連接在一起。從風(fēng)帽上部（5.4 m）開始，焦炭溫度快速升高，存在溫度梯度的焦炭層向上推移，厚度約3 m。

冷卻30 min時，中心風(fēng)口與邊部風(fēng)口的冷卻區(qū)域繼續(xù)擴大并向上推移。存在溫度梯度的焦炭層厚度約3.5 m。

冷卻40及50 min時，中心風(fēng)口與邊部風(fēng)口的冷卻區(qū)域繼續(xù)擴大并向上推移，下部風(fēng)口處開始出現(xiàn)均溫區(qū)。存在溫度梯度的焦炭層厚度約4 m。

隨著焦炭冷卻時間的延長，中心風(fēng)口與邊部風(fēng)口的冷卻區(qū)域從一開始的相互獨立到后來慢慢的擴大并向上推移，存在溫度梯度的焦炭層厚度也逐步的增加，當(dāng)冷卻時間為50 min時，此厚度保持在了4 m左右。但是此冷卻時間段內(nèi)溫度的變化一直沒有影響到循環(huán)氣體出口下沿（11.4 m）。

（2）分析焦炭分別冷卻60、70、80、90及100 min的溫度分布和干熄爐中軸線上的溫度分布圖。

冷卻60 min時，存在溫度梯度的焦炭層厚度約4 m，溫度的變化梯度已經(jīng)開始影響到循環(huán)氣體出口下沿（11.4 m）。

冷卻70及80 min時，存在溫度梯度的焦炭層厚度約4 m，溫度的變化梯度范圍向循環(huán)氣體出口上沿（13.4 m）推移。

冷卻90 min時，存在溫度梯度的焦炭層厚度約4 m，溫度的變化梯度范圍已經(jīng)到達循環(huán)氣體出口上沿（13.4 m）。

冷卻100 min時，存在溫度梯度的焦炭層厚度約5 m，溫度的變化梯度范圍到達循環(huán)氣體出口上沿（13.4 m）的上部。出口氣體溫度明顯下降，認(rèn)為此時冷卻結(jié)束。而且由溫度分布圖看出在干熄爐的下部焦炭冷卻區(qū)域焦炭的溫度分布并不均勻，按焦炭溫度可分為三個區(qū)域，干熄爐邊部位于邊部風(fēng)口上方的低溫區(qū)、干熄爐中部位于中心風(fēng)口上方的低溫區(qū)、兩個低溫區(qū)之間的環(huán)狀高溫帶，高溫區(qū)的焦炭大概比低溫區(qū)的焦炭溫度高50℃左右。

通過計算在干熄爐內(nèi)位于風(fēng)口上部至循環(huán)氣體出口中間高度為6.981 m，焦炭體積為515.88 m3，焦炭重量為257.94 t，熄焦時間為1.67 h，則熄焦能力為154.4 t/h。

結(jié)束語

（1）160 t/h干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體壓降為4868 Pa，該干熄爐內(nèi)壓降隨循環(huán)氣體流量的函數(shù)關(guān)系為：y = 19.602x2- 309.85x + 3224.6；

（2）環(huán)形集氣道內(nèi)氣流流速最大處在環(huán)形集氣道的出口處，位于出口對面的環(huán)形集氣道內(nèi)速度較小，而干熄爐焦炭內(nèi)氣流的速度很?。?/p>

（3）循環(huán)氣體的流量不影響干熄爐內(nèi)壓力分布的趨勢，僅影響壓力梯度的大小。干熄爐內(nèi)有壓力梯度的區(qū)域位于入口（5 m左右）至出口上沿（14 m左右），出口以上壓力梯度很小。

（4）計算所得存在溫度梯度的焦炭層最大厚度為（5 m）。

（5）在干熄爐的下部焦炭冷卻區(qū)域焦炭的溫度分布并不均勻，按焦炭溫度可分為三個區(qū)域，干熄爐邊部位于邊部風(fēng)口上方的低溫區(qū)、干熄爐中部位于中心風(fēng)口上方的低溫區(qū)、兩個低溫區(qū)之間的環(huán)狀高溫帶，高溫區(qū)的焦炭大概比低溫區(qū)的焦炭溫度高50℃左右。

[1] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué).西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.5.

[2] 韓占忠, 王敬, 蘭小平. FLUENT—流體工程仿真計算實例與應(yīng)用.北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.6.

[3] 李文華,蘇明軍.常用湍流模型及其在FLUENT軟件中的應(yīng)用. 水泵技術(shù),2006,(4).

[4] 譚廷帥. 清洗液閥過流能力提高的研究. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006.6.

研究一個復(fù)雜的工程實踐問題的基本思想是把復(fù)雜的問題進行合理的抽象，即建立該問題的數(shù)學(xué)模型，這是解決整個問題的核心內(nèi)容。文章以干熄爐為研究對象，采用Flunet軟件對其進行數(shù)值模擬分析，著重研究了干熄爐內(nèi)部的流場及非穩(wěn)態(tài)溫度場的分布情況，并分析了隨著冷卻時間的延長，干熄爐內(nèi)部溫度的變化情況，為研制大型干熄爐提供了理論依據(jù)。

濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司，山東 濟南， 250101

循環(huán)氣體及焦炭的物性參數(shù)

干熄焦?fàn)t內(nèi)循環(huán)氣體的成分以氮氣為主，在生產(chǎn)中稍有波動，本次計算中采用的循環(huán)氣體如表1所示，并按此成分計算循環(huán)氣體的物性參數(shù)。

表1 循環(huán)氣體的成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）

N2H2CO O2CO270.8 3.6 16.8 0.55 8.25

焦碳含碳96%以上，熱值約29×103kJ/kg，其主要物理性質(zhì)如下：真密度為1.8~1.95 g/cm3；視密度為0.88~1.08 g/cm3；氣孔率為35%~55%；散密度為400~500 kg/m3；平均比熱容為0.808 kJ/（kg·K）（100℃），1.465kJ/（kg·K）（1000℃）；熱導(dǎo)率為0.733 W/（m·K）（常溫），1.919 W/（m·K）（900℃）。

邊界條件的確定

對于該模型采取的是分離式求解器，湍流模型采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型[3]。

結(jié)合實際裝料情況，給定結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)氣體的循環(huán)風(fēng)量、溫度等物性參數(shù)，表2為設(shè)定的邊界條件。

欠松弛因子的設(shè)置直接影響到收斂的速度。因此，設(shè)置合理的欠松弛因子是必要的，同時，在迭代的過程中要根據(jù)各項收斂的情況來隨時改變松弛因子，這樣有利于更快地收斂。初始化是給定計算的初始值，給定與計算結(jié)果接近的初始值可以使結(jié)果更快地收斂[4]。初始溫度給定1223K（950℃），其他設(shè)置均采用默認(rèn)值。

表2 邊界條件

中心入口 邊部入口循環(huán)氣體入口溫度/K 403 403入口質(zhì)量流量/(kg/m2·s）10.40 13.88 15.38 16.58 17.88 14.87 17.76 19.76 21.26 23.00碳溫度/K 1223 1223焦炭空隙率 0.485 0.485循環(huán)氣體流量/(104m3/h）6.488 8.00 8.90 9.56 10.30 9.732 10.40 11.50 12.44 13.40

張麗珠，高級工程師，畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事熱能工程設(shè)計及理論研究。