干法熄焦工藝的基礎(chǔ)理論研究

印文寶，王 奇，趙楠楠，王國輝，何騰蛟，孔祥勇

(1.華泰永創(chuàng)(北京)科技股份有限公司，北京 100176；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039；3.攀鋼集團(tuán)煤化工公司，四川 攀枝花 617023；4.酒泉鋼鐵(集團(tuán))公司焦化廠，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

所謂干法熄焦，是相對(duì)濕法熄焦而言的，是指采用惰性氣體將紅焦冷卻的一種熄焦方法。在干法熄焦過程中，紅焦從干熄爐頂部裝入，低溫惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機(jī)鼓入干熄爐冷卻區(qū)紅焦層，吸收紅焦顯熱，冷卻后的焦炭從干熄爐底部排出。從干熄爐環(huán)形風(fēng)道出來的高溫惰性氣體流經(jīng)干熄焦鍋爐進(jìn)行熱交換，鍋爐生產(chǎn)蒸汽，冷卻后的惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機(jī)重新鼓入干熄爐，惰性氣體在封閉的系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。干法熄焦在節(jié)能、環(huán)保和改善焦炭質(zhì)量等方面優(yōu)于濕法熄焦。

干法熄焦起源于瑞士，20世紀(jì)40年代發(fā)達(dá)國家開始研究開發(fā)干法熄焦技術(shù)，采取的方式各異，規(guī)模較小且生產(chǎn)不穩(wěn)定。20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)在干法熄焦技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代的全球能源危機(jī)促使干法熄焦技術(shù)長足發(fā)展，日本率先從蘇聯(lián)引進(jìn)了干法熄焦技術(shù)，并在裝置的大型化、自動(dòng)控制和環(huán)境保護(hù)方面進(jìn)行了改進(jìn)。裝焦方式采用了料鐘布料，排焦采用了旋轉(zhuǎn)密封閥連續(xù)排焦，接焦采用了旋轉(zhuǎn)焦罐接焦等技術(shù)，使氣/料比大大降低，極大地降低了干熄焦裝置的建設(shè)投資和裝置的運(yùn)行費(fèi)用；在控制方面實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制；在除塵方面，采用了除塵地面站方式，避免了干法熄焦裝置可能帶來的二次污染[1]。

1 干法熄焦工藝簡介

干法熄焦系統(tǒng)主要由干熄爐、裝入裝置、排焦裝置、提升機(jī)、電機(jī)車及焦罐臺(tái)車、焦罐、一次除塵器、二次除塵器、干熄焦鍋爐系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、除塵地面站、水處理系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等部分組成。

1.1 干法熄焦的工藝流程[1]

從炭化室推出的紅焦由焦罐臺(tái)車上的圓形旋轉(zhuǎn)焦罐接受，焦罐臺(tái)車由電機(jī)車牽引至干熄焦提升井架底部，由提升機(jī)將焦罐提升至提升井架頂部；提升機(jī)掛著焦罐向干熄爐中心平移的過程中，與裝入裝置連為一體的爐蓋由電動(dòng)缸自動(dòng)打開，裝焦漏斗自動(dòng)放到干熄爐上部；提升機(jī)放下的焦罐由裝入裝置的焦罐臺(tái)接受，在提升機(jī)下降的過程中，焦罐底閘門自動(dòng)打開，開始裝入紅焦；紅焦裝完后，提升機(jī)自動(dòng)提起，將焦罐送往提升井架底部的空焦罐臺(tái)車上，在此期間裝入裝置自動(dòng)運(yùn)行將爐蓋關(guān)閉。

裝入干熄爐的紅焦在預(yù)存區(qū)存儲(chǔ)一段時(shí)間后，隨著排焦的進(jìn)行逐漸下降到冷卻區(qū)，在冷卻區(qū)通過與循環(huán)氣體進(jìn)行熱交換而冷卻，再經(jīng)振動(dòng)給料器、旋轉(zhuǎn)密封閥、排焦溜槽排出，然后由專用膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出。

冷卻焦炭的循環(huán)氣體在干熄爐冷卻區(qū)與紅焦進(jìn)行熱交換后溫度升高，并經(jīng)斜道和環(huán)形風(fēng)道排出干熄爐；高溫循環(huán)氣體經(jīng)過一次除塵器分離粗顆粒焦粉后進(jìn)入干熄焦鍋爐進(jìn)行熱交換，鍋爐生產(chǎn)蒸汽，溫度降至約160 ℃的低溫循環(huán)氣體由鍋爐出來，經(jīng)過二次除塵器進(jìn)一步分離細(xì)顆粒焦粉后，由循環(huán)風(fēng)機(jī)送入給水預(yù)熱器冷卻至約130 ℃，再進(jìn)入干熄爐循環(huán)使用。

1.2 干法熄焦的發(fā)展方向

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，如果能夠有效降低干熄焦裝置的建設(shè)投資、運(yùn)行成本，提高智能化水平，這項(xiàng)技術(shù)一定能夠取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.2.1 干法熄焦系統(tǒng)的優(yōu)化

干熄爐是干法熄焦系統(tǒng)中的核心設(shè)備，干熄爐是中空的豎窯，由冷卻區(qū)和預(yù)存區(qū)構(gòu)成，其中冷卻區(qū)是焦炭與惰性循環(huán)氣體逆向流動(dòng)直接換熱的場所，冷卻區(qū)的理論高/徑比是干熄爐先進(jìn)性與否的重要指標(biāo)，在處理能力一定的前提下，合理確定冷卻區(qū)高/徑比既是實(shí)現(xiàn)焦炭冷卻速率的要求，也是降低系統(tǒng)壓力損失的重要保證；預(yù)存區(qū)是為緩沖焦?fàn)t間歇生產(chǎn)和干法熄焦系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的矛盾而設(shè)計(jì)的，其容積既要保證焦?fàn)t檢修時(shí)間，又要保證干法熄焦系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，適宜的預(yù)存區(qū)容積可以起到燜爐的作用，有利于焦炭的成熟和均質(zhì)化，但干熄爐的預(yù)存區(qū)容積不宜過大，否則將增加干熄爐的建設(shè)和運(yùn)行成本以及干熄爐斜道區(qū)隔墻的載荷。

一次除塵器是干熄焦系統(tǒng)重要的高溫除塵設(shè)備，位于干熄爐和鍋爐之間。一次除塵器處于高溫工作狀態(tài)下，目前普遍采用重力沉降式除塵器或慣性除塵器。一次除塵器的主要作用是去除高溫惰性循環(huán)氣體中的大顆粒焦粉，避免對(duì)鍋爐、循環(huán)風(fēng)機(jī)和循環(huán)系統(tǒng)管路的沖刷磨損。一次除塵器的工藝參數(shù)制約了其除塵效率和系統(tǒng)的壓力損失。

干熄爐和一次除塵器的工藝參數(shù)的優(yōu)化是從系統(tǒng)視角來降低干法熄焦系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行成本的根本途徑，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化，降低干法熄焦的氣/料比從而降低建設(shè)和運(yùn)行成本。

1.2.2 干法熄焦系統(tǒng)的智能化

干法熄焦系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)干法熄焦系統(tǒng)長壽、高效和安全的重要保障，通過建立干法熄焦過程中傳熱、傳質(zhì)及動(dòng)量傳遞的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)干法熄焦系統(tǒng)的智能化和遠(yuǎn)程運(yùn)維是干法熄焦系統(tǒng)的必由之路。

2 干法熄焦工藝的難題

干法熄焦技術(shù)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在著系統(tǒng)壓力損失大、干熄爐斜道區(qū)焦炭浮起、鍋爐等設(shè)備磨損嚴(yán)重等問題。上述問題制約了干法熄焦技術(shù)的發(fā)展。

2.1 干熄爐的問題

干熄爐冷卻區(qū)高/徑比決定了惰性循環(huán)氣體流經(jīng)焦炭層的厚度，即冷卻區(qū)壓力損失；惰性循環(huán)氣體與焦炭換熱后經(jīng)斜道匯入環(huán)形風(fēng)道，斜道氣體流速較快，容易發(fā)生焦炭浮起，系統(tǒng)壓力損失劇增，生產(chǎn)無法繼續(xù)；預(yù)存區(qū)容積取決于焦?fàn)t生產(chǎn)檢修時(shí)間，其容積的確定直接影響干熄爐的整體高度和斜道區(qū)隔墻的載荷。

2.2 一次除塵器的問題

一次除塵器連接干熄爐和鍋爐，其作用是除去惰性循環(huán)氣體中的大顆粒焦粉。采用慣性除塵器時(shí)，結(jié)構(gòu)較緊湊但存在壓損較大和擋墻倒塌的情況；采用重力沉降式除塵器時(shí)，體積龐大但結(jié)構(gòu)簡單且壓損小。

3 基礎(chǔ)理論研究

3.1 焦炭冷卻機(jī)理[1]

在干熄爐冷卻區(qū)，焦炭向下移動(dòng)，惰性循環(huán)氣體向上流動(dòng)，焦炭與循環(huán)氣體進(jìn)行熱交換而達(dá)到焦炭冷卻的目的。由于焦炭的塊度大，容易形成較大的空隙率，而有利于氣體流動(dòng)，焦炭冷卻的時(shí)間主要取決于氣流與焦炭的對(duì)流傳熱和焦塊內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，而冷卻速度則主要取決于焦塊的溫度和外形表面積以及循環(huán)氣體的溫度和流速等。

進(jìn)入干熄爐的循環(huán)氣體的溫度主要由干熄焦鍋爐的省煤器決定。省煤器進(jìn)口的除鹽除氧水溫度為104 ℃左右，出省煤器的循環(huán)氣體溫度可降為約160 ℃，由循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后再經(jīng)過給水預(yù)熱器進(jìn)一步降溫至約130 ℃后進(jìn)入干熄爐與焦炭逆流傳熱，干熄爐排出的焦炭可冷卻至200 ℃以下。離開1 000 ℃左右紅焦的循環(huán)氣體可升溫至900～960 ℃，從干熄爐斜道進(jìn)入環(huán)形煙道匯集后流出干熄爐。

從焦?fàn)t炭化室推出的焦炭塊度并不均勻，塊度大的焦炭，由其表面向內(nèi)部傳熱緩慢而使冷卻時(shí)間延長。因此焦炭的冷卻時(shí)間不可能一致。但是，焦炭在裝入干熄爐以及在干熄爐內(nèi)向下移動(dòng)的過程中經(jīng)受機(jī)械力作用而使塊度大的變小，焦炭塊度會(huì)逐步均勻化；此外，圓形旋轉(zhuǎn)焦罐及帶‘十’字型料鐘的裝入裝置都有利于焦炭在干熄爐內(nèi)的均勻分布，雖然在焦炭向下移動(dòng)的過程中部分大塊焦炭會(huì)偏析到干熄爐的外周，仍可通過調(diào)整循環(huán)氣體進(jìn)干熄爐風(fēng)道上的入口擋板來調(diào)節(jié)干熄爐內(nèi)中央與周邊的進(jìn)風(fēng)比例。

在干熄爐冷卻區(qū)內(nèi)循環(huán)氣體與焦炭的熱交換，主要是對(duì)流傳熱。傳熱效果隨氣體流速增大而加強(qiáng)，但當(dāng)循環(huán)氣體的流速隨循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大時(shí)，在干熄爐冷卻區(qū)內(nèi)，氣流通過焦炭層的阻力增加與氣體流速的平方成正比，使循環(huán)風(fēng)機(jī)的電耗大幅度提高，干熄焦運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。

惰性循環(huán)氣體在干熄爐冷卻區(qū)與焦炭逆流換熱，升溫至900～960 ℃后進(jìn)入干熄焦鍋爐。由于氣體循環(huán)系統(tǒng)負(fù)壓段會(huì)漏進(jìn)少量空氣，O2通過紅焦層就會(huì)與焦炭反應(yīng)，生成CO2，CO2在焦炭層高溫區(qū)又會(huì)還原成CO，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，循環(huán)氣體里CO濃度愈來愈高。此外，焦炭殘存揮發(fā)分始終在析出，熱解生成的H2、CO、CH4等也都是易燃易爆成分，因此在干法熄焦運(yùn)行中，要控制循環(huán)氣體中可燃成分濃度在爆炸極限以下。一般有兩種措施可以進(jìn)行控制：其一，連續(xù)地往氣體循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充適量的工業(yè)N2，對(duì)循環(huán)氣體中的可燃成分進(jìn)行稀釋，再放散掉相應(yīng)量的循環(huán)氣體；其二，連續(xù)往升溫至900～960 ℃的循環(huán)氣體中通入適量空氣來燃燒掉可燃成分，經(jīng)鍋爐冷卻后再放散掉相應(yīng)量的循環(huán)氣體。

3.2 干熄爐工藝參數(shù)的基礎(chǔ)理論研究

干熄爐是干法熄焦系統(tǒng)的核心熱工設(shè)備，是焦炭和惰性循環(huán)氣體進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的核心。其中，冷卻區(qū)是換熱的場所，斜道是高溫惰性循環(huán)氣體的通道，上述兩者既制約著干熄焦的干熄效率，同時(shí)也是系統(tǒng)壓損的主要來源；預(yù)存區(qū)結(jié)構(gòu)簡單，其主要作用是實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t檢修期間的干熄爐的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，其砌體結(jié)構(gòu)制約著干熄爐的整體高度和斜道隔墻的載荷。

3.2.1 干熄爐冷卻區(qū)工藝參數(shù)

干熄爐冷卻區(qū)為圓筒形砌體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充焦炭，惰性循環(huán)氣體通過焦炭層的空隙流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與焦炭的逆流直接換熱。在冷卻區(qū)內(nèi)發(fā)生焦炭與惰性循環(huán)氣體的傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)過程，其中以傳熱為主。冷卻區(qū)結(jié)構(gòu)簡單主要有冷卻區(qū)高度和直徑兩個(gè)參數(shù)，其受焦炭和惰性循環(huán)氣體傳熱效率制約，而傳熱效率主要取決于供氣的均勻性和焦炭布料的均勻性，因?yàn)樯婕肮庋b置和布料裝置的結(jié)構(gòu)，本文不做深入討論。需要了解的是冷卻區(qū)高/徑比是換熱效率高低的反映，在保證焦炭充分冷卻的前提下，高/徑比越低焦炭料層越薄，即壓損越小，同時(shí)干熄爐的整體高度也將越低。減小高/徑比有利于降低干熄爐的建設(shè)和運(yùn)行成本。

3.2.2 干熄爐斜道工藝參數(shù)

大量固體顆粒堆積在一起，便形成了具有一定高度的顆粒床層，這就是名稱里的'床'。當(dāng)流體通過顆粒床層的流量較小時(shí)，顆粒受到的升力(浮力與曳力之和)小于顆粒自身重力時(shí)，顆粒在床層內(nèi)靜止不動(dòng)，此時(shí)床層稱為固定床；如果這個(gè)顆粒床層是整體移動(dòng)的，固體顆粒自頂部連續(xù)加入，又從底部卸出，顆粒相互之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是以一個(gè)整體的狀態(tài)移動(dòng)，叫做移動(dòng)床；當(dāng)流體通過顆粒床層時(shí)，隨著流體速度逐漸增大，固體顆粒開始運(yùn)動(dòng)，且固體顆粒受到的升力也越來越大，當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí)，固體顆粒受到的升力與它們的重力相等，每個(gè)顆粒可以自由運(yùn)動(dòng)，所有固體顆粒表現(xiàn)出類似流體狀態(tài)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為流態(tài)化。料層由靜止?fàn)顟B(tài)整體轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆骰癄顟B(tài)時(shí)的空塔速度，稱為對(duì)應(yīng)固體顆粒料層厚度下的初始(臨界)流化速度，而此時(shí)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量即為初始(臨界)流化風(fēng)量，整體顆粒料層即是流化床[2]。

(1)固體流態(tài)化的氣—固兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型[3]。初始流化速度即顆粒開始流化時(shí)的氣流速度：(氣體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的浮力與曳力)=(床層體積)×(固體顆粒分率)×(顆粒密度)。

Δp×At=W=(At×Lmf)(1-εmf)(ρs-ρg)g

式中：Δp——床層壓差；

At——床層截面積；

Lmf——床層高度；

εmf——床層孔隙率；

ρs，ρg——床層固體顆粒密度，氣體密度。

將上式與固定床壓降方程(Ergun方程)相結(jié)合，可得臨界流化速度計(jì)算式。

Ergun方程：

式中：φs——顆粒球型度；

dp——顆粒當(dāng)量直徑，m；

M——?dú)怏w粘度，Pa·s；

umf——顆粒初始流化速度，m/s。

前一項(xiàng)為粘滯力損失，后一項(xiàng)為動(dòng)能損失。

合并兩式并整理：

低雷諾數(shù)時(shí)，粘滯力損失占主導(dǎo)，忽略后一項(xiàng)：

解得：

高雷諾數(shù)時(shí)，動(dòng)能損失占主導(dǎo)，忽略前一項(xiàng)：

解得：

對(duì)中等雷諾數(shù)，兩項(xiàng)都要考慮。

計(jì)算出臨界流化速度后要進(jìn)行驗(yàn)算，看雷諾數(shù)是否在適用范圍之內(nèi)。

帶出速度：當(dāng)流體對(duì)顆粒的浮力和曳力與顆粒的重量相等，顆粒會(huì)被流體帶走，即：

式中：CD——曳力系數(shù)。

流化床內(nèi)徑的計(jì)算：

式中：Vg——?dú)饬鞯捏w積流量m3/s；

dt——流化床內(nèi)徑m；

u——?dú)饬鞯目账魉賛/s。

可見，流化床的內(nèi)徑取決于氣流的空塔氣速，而流化床的空塔氣速應(yīng)介于初始流化速度與逸出速度之間，即維持流化狀態(tài)的最低氣速與最高氣速之間。

(2)干熄爐斜道氣—固兩相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)牛頓粘性定律可知：(氣體流動(dòng)方向上的壓差)=(流體流動(dòng)反方向上的剪切力)=(流體粘度)×(速度梯度)可得(具體尺寸詳見圖1所示)：

圖1 干熄爐斜道

h=x×tan(γ-α) (0≤x≤a，0°≤γ≤90°)

式中：w——斜道入口寬度，m；

X——斜道內(nèi)與氣流方向垂直的長度(焦炭表面)，m；

A——斜道出口長向尺寸，m；

P1——斜道入口平均靜壓力，Pa；

P2——斜道出口平均靜壓力，Pa；

λ——循環(huán)氣體流經(jīng)焦炭料層時(shí)的粘度修正系數(shù)；

ε——焦炭層孔隙率，%；

φ——焦炭球型度；

μ——循環(huán)氣體的粘度，Pa·s；

h——循環(huán)氣體通過焦炭層的沿程長度，m；

u——循環(huán)氣體流速，m/s；

γ——斜道隔墻傾角，deg；

α——焦炭動(dòng)態(tài)安息角，deg。

上式整理得出：

積分后得出：

假設(shè)邊界條件當(dāng)x=a時(shí)，u=0，解得：

綜合上述理論推導(dǎo)可得：

(3)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用。根據(jù)氣—固兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型可知，當(dāng)氣體流速達(dá)到初始流化速度時(shí)，干熄爐斜道內(nèi)焦炭將處于浮起狀態(tài)，同時(shí)斜道壓力損失驟增；另外，粒徑較小的焦粉將處于流態(tài)化或者氣力輸送狀態(tài)，大量焦粉將會(huì)被循環(huán)氣體攜帶進(jìn)入一次除塵器、鍋爐和風(fēng)機(jī)等后續(xù)工藝設(shè)備，造成干熄焦惰性氣體循環(huán)系統(tǒng)壓力制度的紊亂和干熄焦惰性氣體循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備及管路的磨損。

式中：V——每個(gè)斜道氣體流量，m3。

通過求解上述公式，即可確定斜道出口長向關(guān)鍵尺寸a。

3.2.3 干熄爐預(yù)存區(qū)工藝參數(shù)

預(yù)存區(qū)位于干熄爐斜道隔墻上部，預(yù)存區(qū)內(nèi)墻砌體自重和焦炭與預(yù)存區(qū)內(nèi)墻的摩擦力直接由斜道隔墻承擔(dān)，此外預(yù)存區(qū)內(nèi)墻還要承受裝焦過程中的焦炭的沖擊以及環(huán)形風(fēng)道溫度波動(dòng)的熱應(yīng)力。預(yù)存區(qū)容積取決于焦?fàn)t檢修時(shí)間，在相同容積的情況下，當(dāng)預(yù)存區(qū)高度與直徑的比值為1時(shí)，所需要的材料最節(jié)省(條件極值)，即經(jīng)濟(jì)性最好，同時(shí)有利于減少預(yù)存區(qū)內(nèi)墻的砌體自重，可以減少斜道隔墻的負(fù)荷。

3.3 一次除塵器工藝參數(shù)

除塵器性能包括處理氣體流量、除塵效率和壓力損失等。其中除塵效率有兩種表示法：一是粒級(jí)效率，另一是總效率。

粉塵中含有大小不同的顆粒，通過除塵器后，各種大小不同的顆粒被分離出的百分?jǐn)?shù)各不相同，按顆粒大小分別表示出其被分離的質(zhì)量分率，即為粒級(jí)效率；能夠分離的最小顆粒直徑稱為臨界直徑；進(jìn)入除塵器的全部粉塵中實(shí)際上能被分離出來的總質(zhì)量分率，稱為總效率。

除塵器的設(shè)備阻力是表示能耗大小的技術(shù)指標(biāo)，可通過測(cè)定設(shè)備進(jìn)口與出口氣流的全壓差得到。其大小不僅與除塵器的種類和結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，還與處理氣體通過時(shí)的流速大小有關(guān)。

3.3.1 重力沉降式除塵器[4]

重力場內(nèi)，一個(gè)顆粒在靜止的流體中降落時(shí)，共受到三個(gè)力：重力、浮力和阻力。重力與浮力之差是使顆粒發(fā)生沉降的作用力；阻力是流體介質(zhì)阻礙顆粒運(yùn)動(dòng)的力，其作用方向與顆粒運(yùn)動(dòng)方向相反。沉降作用力減去阻力，使顆粒產(chǎn)生一加速度a，令m為顆粒的質(zhì)量，則：

(重力-浮力)-阻力=m·a

對(duì)于給定的顆粒和流體，重力和浮力是確定的，阻力則隨降落的速度而變。初始時(shí)，顆粒的降落速度和所受阻力皆為零，顆粒因受力按上式加速下降。隨降落速度的增加，阻力也相應(yīng)增大，一直與沉降作用力相等，顆粒受力達(dá)到平衡，加速度也減到零。此后顆粒即以等速下降，這一最終達(dá)到的速度稱為沉降速度。

當(dāng)量直徑為d的球形顆粒的所受重力等于它的體積、密度和重力加速度之積：

顆粒所受浮力是它的體積乘以流體密度與重力加速度之積：

顆粒沉降時(shí)的阻力可以采用流體流動(dòng)阻力類似的公式表示。令ξ為阻力系數(shù)，u0為沉降速度，A為顆粒在垂直于沉降方向的平面上的投影面積，則：

達(dá)到平衡時(shí)，阻力的大小應(yīng)等于重力減浮力之差，即：

解得：

計(jì)算沉降速度要先知道阻力系數(shù)，它反映顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)流體對(duì)顆粒的曳力，故又稱曳力系數(shù)。顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力由兩部分構(gòu)成，即表皮阻力與形體阻力。顆粒速度很小時(shí)，流體呈層流與球體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在球的左右兩側(cè)繞過，在球表面所形成的邊界層很薄，沒有漩渦出現(xiàn)，流體對(duì)球的曳力主要是粘性曳力即表皮摩擦；若速度增加，便有漩渦出現(xiàn)，即發(fā)生邊界層分離，表皮曳力的作用逐漸讓位于形體阻力。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出的阻力系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系，當(dāng)流動(dòng)為層流(Re<0.3)時(shí)：ξ=24/Re，得：

此式稱為斯托克斯(Stokes)阻力定律。

氣體進(jìn)入重力沉降式除塵器后，塵粒一方面隨氣流向水平方向運(yùn)動(dòng)，其速度和氣流速度相同；另一方面在重力的作用下以沉降速度垂直向下運(yùn)動(dòng)，只要?dú)怏w通過除塵器所歷時(shí)間大于或等于其中的塵粒從室頂沉降到室底所需時(shí)間，塵粒便可以分離出來。

干熄焦重力沉降式除塵器參數(shù)見圖2中(2)所示，顆粒在除塵器內(nèi)的停留時(shí)間Θt=L/ut位于除塵器最高點(diǎn)的顆粒沉降到室底的時(shí)間Θ0=H/ug，故顆粒沉降而分離出的條件是：

圖2 一次除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意

根據(jù)極限條件ut=Lug/H，則含塵氣體的最大處理量為：

Vs=HBut=BLug

式中：B——除塵器入口寬度，m。

由上式可見，含塵氣體的處理量為沉降室的底面積與沉降速度之積，與沉降室的高度無關(guān)。由于主要是考慮可能沉降的最小顆粒，又假設(shè)顆粒在沉降室內(nèi)做自由沉降，應(yīng)用斯托克斯定律，于是處理量為Vs時(shí)能分離出得顆粒最小直徑可計(jì)算如下：

根據(jù)臨界直徑的定義，直徑大于等于dmin的顆粒，粒級(jí)效率均為100%，根據(jù)進(jìn)入除塵器中的含粉塵氣體的粒度分布，直徑大于、等于dmin的顆粒的總質(zhì)量除以含塵氣體中總的粉塵質(zhì)量，即為全效率。

3.3.2 慣性除塵器[5]

慣性除塵技術(shù)是借助擋板使氣流改變方向，利用氣流中顆粒的慣性力使之分離的技術(shù)，利用慣性除塵技術(shù)設(shè)計(jì)的除塵器稱作慣性除塵器。

在慣性除塵器內(nèi)，主要是使氣流急速轉(zhuǎn)向，或沖擊在擋板上再急速轉(zhuǎn)向，其中顆粒由于慣性效應(yīng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡就與氣流軌跡不一樣，從而使兩者獲得分離。氣流速度高，這種慣性效應(yīng)就大，所以這類除塵器的體積可以減小，沒有活動(dòng)部件，可用于高溫和高濃度粉塵場合，對(duì)細(xì)顆粒的分離效率比重力除塵器稍高。但慣性除塵器的阻力較大。慣性除塵器的主要缺點(diǎn)是磨損嚴(yán)重和壓損大，即除塵器入口和出口存在較大壓差，擋墻在壓差和生產(chǎn)過程中氣量波動(dòng)的共同作用下，容易發(fā)生垮塌事故。

干熄焦慣性除塵器參數(shù)詳見圖2中(1)所示，入口的含塵氣流速度u0，顆粒為均勻分布，進(jìn)入除塵器后，由于慣性效應(yīng)，顆粒逐漸向外壁濃集，無返混。任意處(r，φ)顆粒的3個(gè)速度分量為：徑向速度vr，切向速度vt，重力沉降速度vg。

在慣性效應(yīng)下，于是有：

將兩式合并得顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡方程：

顆粒的vr遠(yuǎn)小于vt，于是在徑向上的顆粒運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：mD——顆粒質(zhì)量；

CD——顆粒阻力系數(shù)；

AD——顆粒垂直于氣流方向的投影面積；

ρD——顆粒密度。

顆粒當(dāng)量直徑δ，則：

解得：

顆粒的vg遠(yuǎn)小于vt，即在慣性除塵器內(nèi)主要靠慣性效應(yīng)，重力的影響可忽略不計(jì)，于是顆粒的軌跡方程可簡化為：

根據(jù)兩類氣速分布規(guī)律，分別設(shè)計(jì)如下：

(1)假設(shè)氣速沿截面始終不變，各處均為vt。又假設(shè)切面上，顆粒很快就跟隨氣流運(yùn)動(dòng)，即vt=vi。對(duì)上式積分則：

初始位于ri處的顆粒經(jīng)回轉(zhuǎn)過φ角后，將移動(dòng)到rφ處：

這是一條阿基米德螺線，如圖2中(1)虛線所示，這就是分離后凈化氣與含塵氣的分界線，所以該顆粒的分離效率為：

為使顆粒達(dá)到完全分離(ηi=1)所需回轉(zhuǎn)角為：

于是：

由上述理論分析可見，與重力沉降不同，慣性除塵器要求較高的氣速，氣流基本都處于湍流狀態(tài)下工作，而且壓力損失較大。

4 結(jié) 論

(1)干熄爐是干法熄焦系統(tǒng)的核心設(shè)備，干熄爐冷卻區(qū)內(nèi)紅焦和惰性循環(huán)氣體的換熱效率受到布料和供氣均勻性的制約，在相同處理能力的前提下，冷卻區(qū)高徑比越小，循環(huán)氣體通過冷卻區(qū)的壓力損失越小，同時(shí)干熄爐的整體高度越低，有利于降低干熄爐的建設(shè)和運(yùn)行成本。

(2)干熄爐斜道隔墻承載著干熄爐預(yù)存區(qū)內(nèi)墻砌體自重及焦炭與預(yù)存區(qū)內(nèi)墻的摩擦力，預(yù)存區(qū)內(nèi)墻還要承受裝焦過程中的焦炭沖擊力和溫差引起的熱應(yīng)力，在相同預(yù)存容積的前提下，降低預(yù)存區(qū)高度有利于降低斜道隔墻的負(fù)荷且提高內(nèi)墻的穩(wěn)定性，應(yīng)用條件極值的數(shù)學(xué)方法可知，預(yù)存區(qū)高/徑比為1時(shí)，預(yù)存區(qū)內(nèi)墻的用材最省。

(4)一次除塵器工作在高溫環(huán)境下，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工況條件，采用內(nèi)部襯耐火磚的重力沉降式除塵器或慣性除塵器。重力沉降式除塵器的體積龐大，屬于低效率的設(shè)備，只適用于分離粗顆粒或作為預(yù)分離的設(shè)備。

(5)慣性除塵器內(nèi)部設(shè)計(jì)有耐火磚砌筑的擋墻，慣性除塵器分離效率雖然較重力沉降式除塵器稍高，但是氣體流速大，除塵器壓力損失大，即除塵器入口和出口存在較大壓差，擋墻在壓差和生產(chǎn)過程中氣量波動(dòng)的共同作用下，容易發(fā)生垮塌事故。