焦爐裝平煤過程的離散元模擬優(yōu)化

朱君偉， 金 浩*， 曹銀平， 楊俊和， 黃 婕

(1.華東理工大學(xué)化工學(xué)院, 上海 200237； 2.上海寶山鋼鐵股份有限公司, 上海 201900； 3.上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093)

伴隨著中國煉焦行業(yè)的快速發(fā)展,煉焦煤的供應(yīng)日趨緊張。因此,在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上,最大限度地提高焦爐的單孔裝煤量,降低噸焦成本,是焦化企業(yè)研究的重點。在現(xiàn)有的工藝條件下,單孔裝煤量一般是通過裝煤車下煤和推焦車平煤的技術(shù)協(xié)調(diào)和配合來得以提升[1]。安振東[2]通過改變裝煤操作方式和平煤桿的運動行程,使6 m焦爐的單孔裝煤量從28.43 t上升到29.31 t。王建明[3]通過裝煤制度的改進和增加平煤短趟次數(shù),使7 m焦爐的單孔裝煤量由40.8 t 提升至 42.4 t。嚴軍喜等[4]通過減薄平煤桿厚度和調(diào)整平煤桿水平桿高度等措施使7.63 m的焦爐單孔裝煤量提高了1.25 t。但用于裝煤的炭化室如同是一個“黑匣子”,其中的落料變化以及平煤過程對煤峰的影響很難判定,傳統(tǒng)上僅通過裝煤量及裝煤冒煙等外在現(xiàn)象進行操作調(diào)整,還未有同行進行過更為系統(tǒng)的本質(zhì)化技術(shù)研究。

在Cundall等[5]提出離散元法后,離散元模擬在煤散料與煤礦機械的相互作用方面應(yīng)用廣泛。Wang等[6]使用離散元模擬鏈式刮板輸送機運輸煤料的過程,研究了刮板鏈速、傾斜角度和顆粒間靜摩擦系數(shù)對質(zhì)量流率的影響。邢魯義等[7]使用離散元法對煤礦工作面合理的放煤步距進行模擬,獲得了綜放開采頂煤最優(yōu)的開采方式。田震等[8]建立了采煤機中螺旋滾筒和煤壁的離散元模型,找出了螺旋滾筒結(jié)構(gòu)及運動學(xué)參數(shù)等因素對煤顆粒運動規(guī)律的影響。

離散元法在處理顆粒流動時,通過跟蹤每個顆粒的運動獲得整個顆粒體系的宏觀性質(zhì)[9]。利用離散元技術(shù)模擬裝煤過程能夠觀察到炭化室內(nèi)煤顆粒堆積形貌的實時更新,還可以獲得顆粒的質(zhì)量、速度和力學(xué)信息,為高精度研究煤顆粒的運動行為提供了可能。因此,本文選擇使用離散單元法對焦爐炭化室的裝平煤過程進行數(shù)值模擬,通過改變裝平煤的操作方法,并對相關(guān)區(qū)域內(nèi)的裝煤量及煤線的平整度變化進行統(tǒng)計分析,來得到裝平煤作業(yè)的最優(yōu)條件。

1 裝平煤模型的建立

1.1 顆粒接觸動力學(xué)模型

炭化室的溫度在850 ℃左右,煉焦煤在下落過程中,表面水分會迅速蒸發(fā)。所以煉焦煤的表面含水量很低,顆粒間的黏附力可忽略,近似理想顆粒,故選擇Hertz-Mindlin 接觸模型[8]。

假設(shè)兩個煤顆粒i和j分別以速度vi、vj和角速度ωi、ωj運動相碰撞,顆粒在接觸瞬間的受力如圖1所示。煤炭顆粒在接觸碰撞時不僅會受到來自其余煤炭顆粒的法相及切向接觸力Fcn,ij和Fct,ij,還會受到法向及切向接觸阻尼力Fdn,ij和Fdt,ij的作用。

圖1 顆粒接觸動力學(xué)模型

由Hertz 接觸理論可推出顆粒之間的作用力與位移的關(guān)系式為

(1)

(2)

式中：F為兩個相互接觸煤顆粒間的作用力,N；E*為等效彈性模量,Pa；R*為顆粒i、j的等效接觸半徑,m；δ為顆粒間重疊量,m；U為顆粒的相對位移,m。

煤炭顆粒在運動碰撞過程中，其法向剛度kn、切向剛度ks與法向力Fn、切向力Fs分別為

(3)

(4)

Fn=knUn3/2

(5)

Fs=ksUs3/2

(6)

式中：E為顆粒彈性模量,Pa；μ為顆粒i和j的泊松比；Un和Us分別為顆粒的法向和切向位移,m。

1.2 炭化室仿真模型的建立

焦爐炭化室冷態(tài)是一個平均寬度為0.50 m,有效長度為16.78 m,高為6.98 m的梯形立體結(jié)構(gòu)。機側(cè)(推焦側(cè))寬度為475 mm,焦側(cè)(導(dǎo)焦側(cè))寬度為525 mm。炭化室頂設(shè)有4個加煤口,從左至右分別編號1#、2#、3#、4#,直徑500 mm,其他具體尺寸如圖2所示。6.98 m焦爐單孔裝煤量的設(shè)計值為41.7 t[3]。

1.3 煤顆粒模型

煤顆粒粒徑和形狀對仿真精度和仿真效率有著重要的影響。在不影響計算結(jié)果的前提下,為了提高仿真效率,對煤顆粒模型作以下簡化：①因為煤顆粒尺寸相對于炭化室的體積很小,可將煤顆粒視為性質(zhì)均勻的等粒徑球形顆粒；②顆粒放大法常用于離散元模擬[10],實際工況中煤顆粒數(shù)可達千萬甚至更多,為減少仿真計算時間,在實驗室篩分測得煤顆粒平均半徑為1.3 mm后,將顆粒尺寸擴大了25倍后進行模擬。根據(jù)文獻[11],煤的材料屬性參數(shù)和接觸參數(shù)如表1所示。

圖2 炭化室仿真模型

為了保證所設(shè)參數(shù)的準確性,在實驗室進行了堆積角模擬試驗。首先進行煤散料堆積實驗,再根據(jù)實驗裝置進行1∶1建模,以相同的條件進行堆積模擬。堆積完成后,對得到的物料堆積圖測量后可以測出煤的堆積角,如圖3所示。多次試驗后,模擬堆積角平均值為32.15°,與實驗平均值31.66°相比,誤差為1.55%,可以認為所使用的煤模型參數(shù)選擇正確,所建立的計算機模型能夠正確描述落煤狀況。

表1 煤顆粒的物性參數(shù)

圖3 煤散粒堆積實驗和模擬

2 裝平煤過程仿真

以1#、 4#口先落煤的裝煤順序模擬的裝煤效果如圖4所示。首先,按照設(shè)定的時間,煤料從相應(yīng)的落煤口開始自由下落,在炭化室底部進行堆積,當(dāng)實際所測凈煤線為400 mm時,符合工廠裝煤標準[12],此時需要預(yù)留爐頂空間排出熱氣,停止裝煤,并通知推焦車開始平煤。平煤對炭化室內(nèi)煤料起到壓實、平通的作用。平煤模擬時長取20 s(往返各10 s),平煤桿移動速度為1.6 m/s,進行一次平煤。當(dāng)平煤結(jié)束后,通過EDEM的后處理功能,對煤顆粒數(shù)量進行統(tǒng)計,最后得出總裝煤量。

圖4 不同時刻的炭化室內(nèi)部圖

3 影響裝煤量的因素分析

3.1 裝煤順序?qū)ρb煤量的影響

現(xiàn)階段,炭化室裝煤會產(chǎn)生裝煤不滿,裝煤后存在缺角等問題。在具體操作中,裝煤的順序會影響到裝煤是否均勻。裝煤均勻,在數(shù)值上的反映就是炭化室中煤的散密度和平均配位數(shù)[13]。散密度的異常會影響到單孔裝煤量,從而降低焦爐的生產(chǎn)能力。所以首先探究裝煤順序?qū)ρb煤量的影響。

模擬3類裝煤方式,分別是順序裝煤、間隔裝煤和同時裝煤,不同裝煤方式的操作流程如圖5所示。其中,間隔裝煤包括1#、4#口先裝煤,2#、3#口先裝煤和1#、3#口先裝煤。

圖5 裝煤操作流程

3.1.1 裝煤順序

煉焦廠常用的是“4321”裝煤順序。當(dāng)t=0 s時,4#口以400顆/s的落煤量開始裝煤,之后每隔5 s,3#口、2#口、1#口依次以400顆/s的落煤量開始裝煤。各落煤口持續(xù)落煤,期間不間斷。當(dāng)t=160 s時,裝煤結(jié)束,開始平煤。最后統(tǒng)計得煤顆粒數(shù)量為237 990,總重為41.07 t。

3.1.2 間隔裝煤

間隔裝煤是指先打開兩個落煤口開始裝煤,間隔一段時間后,再打開剩余的落煤口,4口同時裝煤。

以1#、4#口先裝煤為例：當(dāng)t=0 s時,1#、4#口同時以400顆/s的落煤量開始裝煤。當(dāng)t=15 s時,2#、3#口也以400顆/s的落煤量開始裝煤,且1#、4#口持續(xù)落煤。當(dāng)t=160 s時,裝煤結(jié)束,開始平煤。最后統(tǒng)計得煤顆粒數(shù)量為239 260,總重為41.28 t。

同理,1#、3#口先裝煤時,統(tǒng)計得煤顆粒數(shù)量為235 992,總重為40.72 t。2#、3#口先裝煤時,統(tǒng)計得煤顆粒數(shù)量為234 791,總重為40.51 t。

3.1.3 同時裝煤

同時裝煤是指4口同時以相同的落煤量開始裝煤,最后統(tǒng)計得煤顆粒數(shù)量為236 392,總重為40.78 t。

3.1.4 分析與總結(jié)

對炭化室進行分析,將其劃分為5個區(qū)域,如圖6所示。

區(qū)域長度劃分：1為0～2 700 mm; 2為2 700～6 500 mm; 3為6 500～10 780 mm; 4為10 780～14 700 mm; 5為14 700～16 780 mm

圖8 裝煤過程中顆粒分布

由圖7可知,各區(qū)域的平均配位數(shù)由炭化室中心區(qū)域向兩側(cè)逐漸減小,區(qū)域間平均配位數(shù)的最大極差為0.97,下降了12.16%。從圖8可以看出,裝煤中心區(qū)域煤顆粒排列緊實,存在明顯的有序結(jié)構(gòu),而靠近邊壁時顆粒排列松散,說明越靠近機側(cè)和焦側(cè),壁面效應(yīng)影響越大,煤顆粒間的空隙率越大。

圖9 不同區(qū)域散密度對比

在圖9中對比不同裝煤順序的散密度,區(qū)域1都是數(shù)值最小的,這是由于裝煤過程中機側(cè)產(chǎn)生了缺角,造成了炭化室空間的浪費。區(qū)域5的散密度也相對較小,這是因為炭化室有一定的錐度,焦側(cè)最寬,會產(chǎn)生焦側(cè)缺角。而區(qū)域1和5的煤料主要來源于1#口和4#口,故4口焦爐中的 1#口和4#口是影響裝煤不均勻的主要因素。在實際操作中應(yīng)提前在區(qū)域1和區(qū)域5堆煤,為兩側(cè)減少缺角提供支持,使炭化室內(nèi)能夠裝滿煤,裝煤均勻。這一點在模擬結(jié)果中也得到了驗證,當(dāng)1#、4#口先裝煤時總裝煤量最多(41.28 t),各區(qū)域間的散密度標準差最小,裝煤最均勻。綜上所述,1#、4#口先裝煤能更好地利用炭化室空間,改善裝煤不均勻的現(xiàn)象,并提高了單孔裝煤量。所以,1#、4#口先裝煤是最合理的裝煤順序。

3.2 平煤次數(shù)對平煤效果的影響

消除裝煤缺角與平煤桿有效行程及平煤操作程序密切相關(guān)。平煤可以分為長程和短程。短程約為長程距離的1/2[14]。工程上一般采取長程與短程相結(jié)合的平煤方式。長平煤使煤料在炭化室內(nèi)分布更“勻”, 短平煤使煤料在炭化室內(nèi)壓得更“實”。

模擬時間長程取20 s(往返各10 s),短程取10 s(往返各5 s),平煤速度均為1.6 m/s,并在平煤過程中根據(jù)需要適當(dāng)補充煤料。采用四長、二長二短兩種方案來探究平煤次數(shù)對平煤效果的影響。

參考美國試驗與材料協(xié)會對路面平整度的定義[15],對于平煤后煤線的平整度,可以定義為：以煤線最低點作水平直線L,煤線的平整度為L上方的點相對于L的豎向偏差,并采用標準差σ來表示煤線的平整度。

(7)

每一次平煤前后,反映平整度的標準差變化如圖10所示。第1次平煤前,煤峰之間、機側(cè)和焦側(cè)都存在缺角,平煤使炭化室內(nèi)形成的煤峰得到初步拉平,所以在第1次平煤后標準差從386.47下降到186.15,下降了51.83 %。

圖10 反映平整度的標準差隨平煤次數(shù)的變化

由二次補煤帶回的煤料填補了機側(cè)的缺角,使機側(cè)缺角得到很大緩解,同時補裝的煤料也使焦側(cè)缺角得到了補充。所以第2次平煤后標準差從186.15下降到89.38,下降明顯。

第3次平煤分為長程和短程。兩種平煤方式都填補了焦側(cè)缺角,所以標準差都有所下降。而長平煤運動距離更長,回拉時更有利于炭化室中的煤料拉平,所以第3次長平煤的標準差78.53要優(yōu)于短平煤的標準差81.64。

第4次平煤結(jié)束時,長平煤的標準差反而增加了5.21,這是由于長平煤行程長,在從機側(cè)向焦側(cè)的運動過程中,煤顆粒不斷被帶到焦側(cè),使焦側(cè)的煤料高度不斷升高,炭化室內(nèi)呈現(xiàn)出了“左低右高”的形狀；而短平煤主要起到的是填平壓實的作用,所以標準差下降了6.97?？梢?在平煤后期,短平煤的效果要好于長平煤,平煤結(jié)束的效果如圖11所示。

圖11 平煤結(jié)束效果

綜上所述,在裝煤過程中會產(chǎn)生機側(cè)、焦側(cè)缺角和煤線高度不均勻等問題,通過不斷地平煤和補煤,可以解決上述問題。從平煤效果和操作成本的角度考慮,采用兩次長平煤和兩次短平煤相結(jié)合的方式是合理的,此時的平整度標準差為74.67,二次補煤后的裝煤總重為42.81 t,較設(shè)計值高1.11 t。目前已有同行試驗了“二長二短”的平煤方式,并已成功應(yīng)用于工業(yè)實際生產(chǎn)[16]。

4 結(jié)論

使用EDEM進行炭化室裝平煤過程的離散元模擬,能夠較真實地反映煤顆粒堆積形貌的變化過程,并可得到顆粒的質(zhì)量、速度和力學(xué)信息,實現(xiàn)了模型的可視化分析和數(shù)據(jù)化處理,為裝平煤作業(yè)的研究提供了新的方法。研究得到以下結(jié)論。

(1)利用EDEM 2.7軟件建立了描述固體煤顆粒自由降落、堆積過程的數(shù)學(xué)模型,模擬值與實驗室檢測數(shù)據(jù)相吻合,表明該模型及參數(shù)能正確描述落煤過程。

(2)通過分析,4口焦爐中的 1#口和4#口是影響裝煤量的主要因素。模擬結(jié)果表明當(dāng)1#、4#口先裝煤時總裝煤量最多(41.28 t),各區(qū)域間的散密度標準差最小,裝煤最均勻。所以,1#、4#口先裝煤是最合理的裝煤順序。

(3)從平煤效果和操作成本的角度考慮,采用兩次長平煤和兩次短平煤相結(jié)合的方式是合理的,平整度標準差從開始的386.47降為74.67,下降了80.68%。