超大型焦?fàn)t先進(jìn)技術(shù)研究

田海江(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司大連焦化分院，遼寧 大連 116000)

0 引言

鋼鐵工業(yè)是世界上最耗能的制造業(yè)。因此，它們相關(guān)的二氧化碳排放量約占人為二氧化碳排放總量的5%～7%。考慮到鋼鐵產(chǎn)量預(yù)計(jì)在未來幾十年內(nèi)將會(huì)增加，能源消耗和二氧化碳排放量的顯著增加預(yù)計(jì)也將跟隨。自20世紀(jì)60年代以來，鋼鐵工業(yè)一直致力于可持續(xù)發(fā)展，在一些國家(如法國) ，每生產(chǎn)1 t鋼，這些工業(yè)已經(jīng)分別減少了60%和50%的二氧化碳排放量和能源消耗量。然而，鋼鐵工業(yè)的制造工藝已經(jīng)達(dá)到了高效率的水平，并且在碳使用量方面非常接近其物理極限[1]。能源和溫室氣體(GHG)排放問題使人們有必要尋找替代方法，以提高鋼鐵廠的能源效率，減少(如果可能的話)二氧化碳的排放。在鋼鐵工業(yè)中，與這種關(guān)切有關(guān)的一個(gè)有趣的舉措是COURSE50(“創(chuàng)新技術(shù)用于冷卻地球50煉鋼過程中的二氧化碳最終減少”)計(jì)劃。日本目前正在開發(fā)這一方案，以尋找高爐和焦?fàn)t氣的替代用途，從而減少二氧化碳排放量，提高日本鋼鐵工業(yè)的能源效率。

在鋼鐵工業(yè)中，焦?fàn)t煤氣(COG)是提高能源效率和減少溫室氣體排放的一個(gè)熱點(diǎn)。焦?fàn)t煤氣是焦炭碳化的副產(chǎn)品，焦炭碳化是在焦化過程中共同生成的。盡管高爐焦炭消耗量(因此煤氣生產(chǎn)量)有所下降，但在過去幾十年中，高爐不能沒有焦炭運(yùn)行，這意味著煤氣將繼續(xù)大量生產(chǎn)。

焦?fàn)t煤氣離開焦?fàn)t后成分非常復(fù)雜。首先，氣體冷卻分離焦油，然后進(jìn)行不同的洗滌過程，以消除NH3、H2S和BTX。經(jīng)過這些調(diào)質(zhì)階段后，冷COG與其他碳?xì)浠衔镆孕”壤餐M成：H2(約55%～60%)、 CH4(約23%～27%)、 CO (約5%～8%)、 N2(約3%～6%)、 CO2(小于2%)。目前焦?fàn)t生產(chǎn)的焦炭中有20%～40%通常用作焦?fàn)t的燃料。余下的焦?fàn)t煤氣一般用于鋼鐵廠的替代工藝，但目前大多數(shù)剩余煤氣用火把燒掉，有時(shí)甚至直接排放到空氣中。這些變化是由于煉鋼過程的高度動(dòng)態(tài)性造成的。

1 焦化與燃燒耦合燃燒室內(nèi)傳輸現(xiàn)象的三維模型

1.1 物理模型

所述的燃燒室包括系列煙道和焦化室，在焦?fàn)t的上部平行交替設(shè)置?？諝夂透郀t煤氣或焦?fàn)t煤氣被供應(yīng)到燃燒室的煙道中并燃燒掉。高溫?zé)煔庋責(zé)煹郎仙?jīng)轉(zhuǎn)向口下降。在燃燒室的底部，一些煙氣通過循環(huán)口與新鮮氣體混合再循環(huán)，另一些則直接從燃燒室中流出。高溫?zé)煔?1 400～1 600 ℃)通過輻射和對(duì)流將熱量傳遞到燃燒室和焦化室之間的內(nèi)壁。然后通過墻壁傳熱到焦化室，在那里，從空氣中分離出來的煤被逐漸加熱，直到與碳焦分層。

本文中的三維模型由燃燒室中的一對(duì)煙道和兩個(gè)1/2焦化室組成，如圖1所示。與傳統(tǒng)的焦?fàn)t不同，大容量焦?fàn)t經(jīng)常沿爐膛高度分級(jí)燃燒，以保證焦床溫度的均勻性。高爐煤氣和空氣分級(jí)燃燒的通道在煙道之間的壁面上平行設(shè)置，如圖1 (b)的燃燒室所示。

圖1 焦化與燃燒室耦合的物理模型

1.2 瞬態(tài)數(shù)學(xué)方程

在焦化控制方程的設(shè)計(jì)過程中，簡單介紹了數(shù)學(xué)模型，提出了以下假設(shè)：(1)焦化室與中平面對(duì)稱；(2)考慮了水分蒸發(fā)、揮發(fā)物釋放和與煤熱解相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)的影響，采用與溫度相關(guān)的有效熱物理參數(shù)，如：有效熱導(dǎo)率、有效比熱和有效容重；(3)忽略了焦化爐內(nèi)原煤氣的產(chǎn)生和流動(dòng)。為了進(jìn)一步提高模擬的精度和效率，通過采用絕熱邊界條件，預(yù)先對(duì)燃燒室的速度場、溫度場和濃度場分別進(jìn)行了模擬。然后輸入結(jié)果作為燃燒室的初始條件進(jìn)行下面的雙室耦合模擬。最后，通過引入等效比熱，考慮了化學(xué)反應(yīng)熱和汽化潛熱。等效比熱反映了化學(xué)反應(yīng)潛熱和蒸發(fā)潛熱隨溫度的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，將蒸發(fā)分為三個(gè)階段：濕凝結(jié)期T0～T1(20～70 ℃)，恒速干燥期T1～T2(70～150 ℃)，減速干燥期T2～T3(150～300 ℃)。利用CFX計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)上述模型進(jìn)行了數(shù)值求解。采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化。研究了網(wǎng)格的獨(dú)立性，并將網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為90萬個(gè)。建立了完全隱式耦合求解器，將流體動(dòng)力學(xué)方程(u，v，w，p)作為一個(gè)單系統(tǒng)求解?？刂品匠痰碾x散采用擴(kuò)散項(xiàng)的形狀函數(shù)和平流項(xiàng)的二階迎風(fēng)差分格式。代數(shù)方程組用矩陣分解算法求解。迭代的殘差小于10-4。初始時(shí)間步長被設(shè)置為0.001 s，然后隨著計(jì)算的進(jìn)展而增加。

2 結(jié)果和討論

結(jié)果表明，當(dāng)焦床中心溫度達(dá)到1 000 ℃時(shí)，焦化完井所需時(shí)間為21 h，在實(shí)際生產(chǎn)中約為22 h。計(jì)算結(jié)果表明，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合較好，相對(duì)誤差為4.54%。與6 m高焦?fàn)t相比，大容量焦?fàn)t裝煤量較大，延長了焦化完井時(shí)間。對(duì)于內(nèi)壁，在相當(dāng)早的階段，由于內(nèi)壁初期向低溫煤輸出的熱量大于它從煙氣中吸收的熱量，因此內(nèi)壁溫度不升高，而是在焦炭一側(cè)下降。大約2 h后，溫度開始升高。對(duì)于煤層/焦炭層，溫度一直在升高。然而，當(dāng)水分停止蒸發(fā)時(shí)，焦炭床層的局部溫度并沒有明顯上升。

從中心平面的溫度分布可以看出，沿高度方向的最大溫差為36 ℃，而傳統(tǒng)的不分級(jí)燃燒的焦?fàn)t的最大溫差約為55 ℃。即使大容量焦?fàn)t的床層高度較高，由于采用分級(jí)燃燒，也可以提高焦炭床層的溫度均勻性。燃燒室的速度、溫度和濃度分布。煙氣、燃?xì)夂涂諝獾牧飨蛟谝粋€(gè)周期內(nèi)可忽略不計(jì)，燃燒室的輸運(yùn)現(xiàn)象是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的。此外，在燃燒過程中，NO的數(shù)量隨著時(shí)間的增加而增加。隨著焦化過程的進(jìn)行，燃燒室和焦化室之間的溫差減小，燃燒室的熱損失也隨之減小，因此，隨著燃燒室溫度的升高，NO的產(chǎn)生也會(huì)增加。

進(jìn)行優(yōu)化分級(jí)燃燒之后，對(duì)7 m高大容量焦化爐分級(jí)燃燒的不同情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與傳統(tǒng)的6 m高無分級(jí)燃燒焦化爐進(jìn)行了比較。分析表明，只改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣口數(shù)目，而固定進(jìn)氣口數(shù)目為三個(gè)。大容量焦化爐在不分級(jí)燃燒的情況下，最大溫差可達(dá)89 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)焦化爐，甚至達(dá)到焦炭質(zhì)量通常要求的50 ℃。采用分級(jí)燃燒，如兩段分級(jí)燃燒，溫度均勻性可提高到52 ℃的可接受水平。三級(jí)燃燒的最大溫差降至36 ℃。分級(jí)輸入降低了局部氣體濃度，使火焰前沿溫度下降，從而減少了NO的生成。合理的高爐煤氣/空氣輸入質(zhì)量流量分布對(duì)焦?fàn)t分級(jí)燃燒至關(guān)重要，因?yàn)樗绊懡固看矊訙囟染鶆蛐院臀矚庵蠳O的濃度。在一定程度上，降低底部進(jìn)口的質(zhì)量流量而提高上部進(jìn)口的質(zhì)量流量有利于提高溫度均勻性和降低NO濃度。對(duì)于三段分級(jí)燃燒，當(dāng)上下部質(zhì)量流量比大于2/7時(shí)，焦炭床層最終溫差小于40 ℃。

3 結(jié)語

綜上，近年來利用COG剩余資源的替代技術(shù)由于可以獲得環(huán)境效益、能源效益和經(jīng)濟(jì)效益而備受關(guān)注。氫氣分離已經(jīng)成為利用COG盈余的一種研究最多的替代方案。此外，其中一些技術(shù)，如變壓吸附和膜分離已經(jīng)在其他工業(yè)過程中使用，因此將它們植入焦化廠不會(huì)帶來任何特殊困難。然而，從COG盈余中回收H2有一個(gè)需要克服的重要缺陷。有了這些技術(shù)，其他氣體，特別是那些含有碳的氣體，如：甲烷、二氧化碳、二氧化碳和輕質(zhì)碳?xì)浠衔锞蜎]有優(yōu)勢(shì)了。因此，H2分離需要與其他技術(shù)相結(jié)合，以便利用COG剩余的所有組成部分。