干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型_圖文

1、第卷第期年月熱科學(xué)與技術(shù)文章編號(hào)：（）一干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型劉華飛，張欣欣（北京科技大學(xué)熱能工程系，北京）摘要：干熄焦工藝具有節(jié)能和環(huán)保雙重效益，其基本原理是利用循環(huán)惰性氣體冷卻焦炭。根據(jù)多孔介質(zhì)理論，采用非達(dá)西流和非局域熱平衡方法，建立了干熄爐內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的數(shù)學(xué)模型，并采用基于非正交同位網(wǎng)格的方法求解對(duì)流擴(kuò)散方程。通過數(shù)值求解，得到了干熄爐內(nèi)氣體速度、壓降以及氣體和焦炭的溫度分布規(guī)律，計(jì)算結(jié)果表明熄焦過程解決焦炭溫度偏析的關(guān)鍵是改善布料時(shí)焦炭粒度分布的均勻性。關(guān)鍵詞：干熄焦；多孔介質(zhì)；非達(dá)西流；非局域熱平衡；非正交網(wǎng)格；數(shù)學(xué)模型中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：引言物理數(shù)學(xué)模型干法熄焦

2、是利用惰性氣體（或廢煙氣）作為循環(huán)氣體在干熄爐中與熾熱紅焦換熱從而冷卻熄滅紅焦。吸收了紅焦熱量的惰性氣體，經(jīng)一次除塵器除塵后，在干熄焦鍋爐內(nèi)釋放熱量，產(chǎn)生中壓（或高壓）蒸汽用于供暖或發(fā)電。循環(huán)氣體經(jīng)二次除塵后，再由風(fēng)機(jī)鼓入干熄爐循環(huán)使用。干法熄焦（）相對(duì)于濕法熄焦（）具有以下優(yōu)點(diǎn)：可回收約的紅焦顯熱；避免濕法熄焦對(duì)環(huán)境的污染；能提高焦炭強(qiáng)度，有利于高爐冶煉。鑒于干法熄焦工藝的節(jié)能和環(huán)保雙重效益，前蘇聯(lián)和日本在其國(guó)內(nèi)的多數(shù)大型焦化廠都配備了干熄焦裝置。我國(guó)自年代以來(lái)也陸續(xù)從前蘇聯(lián)和日本引進(jìn)了十幾套裝置。干熄焦技術(shù)的核心是干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體流動(dòng)和循環(huán)氣體與紅焦之間熱交換的規(guī)律，它是干熄焦裝置大型化要

3、解決的關(guān)鍵問題。干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體自下而上、紅焦自上而下運(yùn)動(dòng)，二者在逆向運(yùn)動(dòng)中完成熄焦過程。這個(gè)過程從本質(zhì)上講是氣體在焦炭顆粒組成的多孔移動(dòng)床內(nèi)的強(qiáng)迫對(duì)流換熱。本文根據(jù)多孔介質(zhì)理論，采用非達(dá)西流和非局域熱平衡方法建立了熄焦過程的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法研究了不同情況下干熄爐內(nèi)氣體速度、氣固溫度分布和氣體壓降的變化規(guī)律，分析了影響焦炭溫度偏析的主要因素。干熄爐流體流動(dòng)和傳熱模型為了研究問題的方便，并突出該過程的物理本質(zhì)，本文將實(shí)際的干熄爐抽象為二維軸對(duì)稱變徑圓柱模型。如圖所示，并引入如下假設(shè)：，底部：焦炭出口，氣體入爐圖干熄爐物理模型（）爐內(nèi)焦炭床為各向同性的多孔介質(zhì)，不考慮焦炭本身的多孔性及

4、高溫下形變；收稿日期：；修回日期：作者簡(jiǎn)介：劉華飛（一），男，博士研究生；張欣欣（一），男，教授，博士生導(dǎo)師萬(wàn)方數(shù)據(jù)熱科學(xué)與技術(shù)第卷（）爐內(nèi)氣體流動(dòng)被認(rèn)為是單相二維軸對(duì)稱穩(wěn)態(tài)非流；（）爐內(nèi)氣體視為不可壓縮流體，但密度的變化遵從等壓理想氣體狀態(tài)方程，即忽略壓力對(duì)密度變化的影響；（）忽略輻射傳熱的影響，并假定焦炭與氣體在熄焦過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（）為簡(jiǎn)化邊界條件，于熄爐外壁及中心風(fēng)帽外壁的散熱均按恒熱流處理。由上述物理模型，基于模型的流體流動(dòng)和傳熱的控制方程包含連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程和狀態(tài)方程如下：連續(xù)方程掣一彳（）一（）動(dòng)量方程（）（）（）一一：一。甜打差（肚警）曇（警）一陽(yáng)一等“一砧焉

5、，九而池一站（）（）（珊饑）（戶）一扣一一：一一如丕（觸警）了導(dǎo)警卜隱等厄萬(wàn)贏考慮焦炭?jī)?nèi)部導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱及熱彌散的非局域熱平衡能量方程下（）吾掣一三（九誓），一手曇挑等）（丁。一?。唬ǎ┏敢粚O，叫罟）曇）等）（丁。一丁。）（）等壓理想氣體狀態(tài)方程丁常數(shù)（）匕述式中：“、計(jì)分別為氣體、方向的容積平均流速分量，；“。為焦炭下降速度，；戶為流體壓力，；丁為溫度，；脅為氣體密度，風(fēng)為焦炭堆密度，；為比定壓熱容，（）；為導(dǎo)熱系數(shù)，（）；為動(dòng)力粘度，；為孔隙率；，為焦炭顆粒當(dāng)量直徑，；為重力加速度，且一；下標(biāo)，分別代表流體和固體。熱彌散導(dǎo)熱系數(shù)凡，（）；慣性系數(shù)和滲透系數(shù)，；它們的表達(dá)式分別為凡一，“十

6、口（，）一去，一群島式中：為形狀系數(shù)，且一；、為常數(shù)，且一，一。氣體對(duì)焦炭的容積對(duì)流換熱系數(shù)礦，（）采用公式計(jì)算，其表達(dá)式為恚忐志。（一）九“。一帶（）式中：“。為標(biāo)況下氣體流速。采用薩斯科夫和洛別斯卡婭提出的公式計(jì)算焦炭床孑隙率：一×（口）（）式中：口，口。為篩級(jí)組成，；相應(yīng)地，依次為以、。上述控制方程的邊界條件為干熄爐底部：驢，鈉血川，署（）干熄爐頂部：砒一口產(chǎn)，李一。一（）中心風(fēng)帽：，訕血川，警一）斜道：塾一墊一墜；墜一（）、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第期劉華飛等：于熄爐內(nèi)傳熱和流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型干熄爐和風(fēng)帽外壁：驢驢，一九警一一九識(shí)一（）對(duì)稱軸線上：警一警一誓一咖，：（，毋毋毋式中：札。，口。

7、，。分別為干熄爐底部氣體的風(fēng)速和溫度；札。：，口。，。分別為風(fēng)帽處氣體噴出的速度和溫度；丁“。為焦炭入爐溫度；為壁面熱流密度；規(guī)為邊界面的外法線方向。計(jì)算方法和結(jié)果分析以國(guó)內(nèi)某鋼廠干熄爐的外形尺寸和工藝參數(shù)為基本數(shù)據(jù)，對(duì)干熄爐內(nèi)的流體流動(dòng)與氣固換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要研究焦炭粒徑分布對(duì)熄焦過程的影響。表為計(jì)算用參數(shù)。數(shù)值方法與計(jì)算網(wǎng)格根據(jù)干熄爐的外形尺寸生成三重非正交的適體網(wǎng)格，相鄰網(wǎng)格間的網(wǎng)格倍數(shù)為。生成的三重網(wǎng)格沿、方向的數(shù)量分別為×，×和×；圖為第一重網(wǎng)格。將方程（）（）在非正交同位網(wǎng)格上離散，對(duì)于界面的對(duì)流通量采用延遲修正的方法計(jì)算。延遲修正中高階格式采用

8、中心格式，低階格式采用上風(fēng)格式，界面的擴(kuò)散通量采用中心差分。離散后的方程采用基于同位網(wǎng)格的算法求解。圖第一重網(wǎng)格表干熄爐的工藝參數(shù)結(jié)果分析圖和給出第三重網(wǎng)格上的計(jì)算結(jié)果。其中，圖的循環(huán)氣體流量為，且不采用料鐘布料；圖的循環(huán)氣體流量為，采用料鐘布料。料鐘布料時(shí)，粒徑分布為。（尺）一；無(wú)料鐘布料時(shí)，粒徑分布為。（）一，其中：。由圖（）可見，氣體速度沿徑向分布不均勻，周邊高，中心低，存在明顯的“溝流”現(xiàn)象；而且越接近斜道口，這種速度的偏析現(xiàn)象越嚴(yán)重。速度偏析的主要原因有兩個(gè)：（）焦炭粒度分布不均勻，粒度大的焦炭富集在爐子周邊，再加上壁面效應(yīng)，形成有利于氣體流動(dòng)的通道；（）現(xiàn)代干熄爐普遍采用預(yù)存段來(lái)存

9、儲(chǔ)焦炭，以便在裝料間隙和焦?fàn)t推焦中斷時(shí)起緩沖作用，排氣斜道布置在周邊，這種結(jié)構(gòu)必然形成氣體向周邊運(yùn)動(dòng)從斜道排出。由于設(shè)置預(yù)存段是熄焦工藝的需要，爐型的影響是這種結(jié)構(gòu)的干熄爐所固有的，只有通過改變布料粒度分布來(lái)改善氣體速度的偏析。萬(wàn)方數(shù)據(jù)熱科學(xué)與技術(shù)第卷氣體壓力分布如圖（）所示。預(yù)存段氣體壓力變化不大，符合實(shí)際設(shè)計(jì)中避免循環(huán)氣體外泄的原則。由于氣體從斜道口排出，在其附近出現(xiàn)負(fù)壓。壓力損失主要在冷卻段，壓力沿徑向分布的不均勻是由于徑向粒徑變化造成的。圖（）和圖（）分別為氣體和焦炭的溫度分布?？梢钥闯鼋固吭谙陆颠^程中干熄爐中心處冷卻效果最差，從預(yù)存段到風(fēng)帽上部附近焦炭仍然維持左右的高溫，熱焦炭的范圍

10、一直擴(kuò)展到靠近出料口處。圖（）和圖（）分別為循環(huán)氣體流量為，并采用料鐘布料時(shí)氣體速度和焦炭溫度分布。由圖可以看出，如果布料均勻，氣體速度和焦炭溫度沿徑向分布的不均勻性都會(huì)顯著改善，干熄爐中心處的焦炭的溫度能降低到工藝要求的范圍。注意到圖（）和圖（）中循環(huán)氣體流量為，所以計(jì)算表明即使氣焦比較小，也能得到較好的冷卻效果。因此，焦炭溫度沿徑向分布的不均勻主要是由于布料的不均勻造成的，解決溫度偏析的關(guān)鍵是改善干熄爐內(nèi)焦炭分布。（）（”（）（）（）氣體速度分布（）氣體壓降分布（）氣體溫度分布（）焦炭溫度分布圖氣體、焦炭參數(shù)計(jì)算結(jié)果（）（）氣體速度分布（）焦炭溫度分布圖氣體速度和焦炭溫度分布結(jié)論（）根據(jù)多

11、孔介質(zhì)理論，采用非達(dá)西流和非局域熱平衡方法，建立了描述干熄爐內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的數(shù)學(xué)模型。（）干熄爐內(nèi)焦炭粒度分布的均勻性是影響氣體速度和氣固溫度分布的主要因素，布料不均勻會(huì)造成干熄爐冷卻段徑向氣體速度和氣固溫度的嚴(yán)重偏析。（）改變布料方式使布料時(shí)焦炭粒度均勻分布是解決干熄爐內(nèi)焦炭溫度偏析的關(guān)鍵。參考文獻(xiàn)：，（）：，干法熄焦李哲浩，等譯北京：冶金工業(yè)出版社，（）：】萬(wàn)方數(shù)據(jù)第期劉華飛等：干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。（，）：（），：（）；¨“¨¨¨吣¨¨一¨¨¨¨¨一¨一&

12、#168;¨¨一高等學(xué)校工程熱物理研究會(huì)第十屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議征文通知根據(jù)年高等學(xué)校工程熱物理研究會(huì)第十屆理事會(huì)第一次會(huì)議決定，將于年月在安徽省合肥市舉行高等學(xué)校工程熱物理第十屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議，征文要求如下：征稿范圍：（）工程熱力學(xué)；（）傳熱傳質(zhì)學(xué)；（）燃燒學(xué)；（）熱流體力學(xué)；（）熱物性與熱物理量測(cè)技術(shù)。凡高等學(xué)校工程熱物理學(xué)科的教師、科技工作者和研究生，有關(guān)能源及其綜合利用、熱能工程、制冷、熱泵、蒸汽動(dòng)力工程、內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、壓氣機(jī)、熱物理量測(cè)及計(jì)算技術(shù)等方面的論文均可投稿。來(lái)稿請(qǐng)寄一式二份，請(qǐng)?jiān)诟寮淖笊辖亲⒚髡撐乃鶎俚念悇e（按征稿范圍中所列分類、和標(biāo)注）。應(yīng)征論文要求觀點(diǎn)明

13、確、論據(jù)充分、公式正確、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、圖表清晰、文字簡(jiǎn)練。具體格式要求參見封三熱科學(xué)與技術(shù)投稿須知。經(jīng)專家評(píng)審錄用的論文將由研究會(huì)統(tǒng)一編號(hào)，并通知作者統(tǒng)一的打印格式。研究會(huì)將作者寄回的打印稿，統(tǒng)一制版、印刷并出版論文集。凡在國(guó)內(nèi)外公開刊物、書籍和全國(guó)性學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表過的論文，恕不接受，作者請(qǐng)勿一稿兩投。所投稿件錄用與否，恕不退稿，請(qǐng)作者自留底稿。應(yīng)征論文請(qǐng)寄至：天津市衛(wèi)津路號(hào)天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王海同志收。郵政編碼：；電話：（）；傳真：（）；：為便于聯(lián)系，請(qǐng)作者另紙寫明詳細(xì)的通訊地址和郵政編碼、家庭與辦公室電話或移動(dòng)電話號(hào)碼，以及地址。征文截止日期為年月日（以稿件搞寄郵戳日期為準(zhǔn)）。

14、經(jīng)評(píng)審錄用的論文將于年月日通知作者。在會(huì)上宣讀的論文，經(jīng)專家評(píng)審后的優(yōu)秀論文，將推薦給高等學(xué)校工程熱物理研究會(huì)大型綜合性學(xué)術(shù)期刊熱科學(xué)與技術(shù)發(fā)表。萬(wàn)方數(shù)據(jù)干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 劉華飛， 張欣欣 北京科技大學(xué),熱能工程系,北京,100083 熱科學(xué)與技術(shù) JOURNAL OF THERMAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 2002，1(2 4次 參考文獻(xiàn)(3條 1.AMIRI A.VAFAI K Analysis of dispersion effects and non-thermal equili

15、brium,non-darcian,variable porosity incompressible flow through porous media 1994(06 2.TEPLITSKIL M G.GORDON I Z.KUDRYAVAYA N A.李哲浩 干法熄焦 1981 3.DEMIRDZIC I.LILEK Z.PERIC M Collocated finite volume method for predicting flows at all speeds 1993(12 相似文獻(xiàn)(3條 1.期刊論文 路曉雯.趙斌.張尉然.王衛(wèi)華.LU Xiao-wen.ZHAO Bin.ZH

16、ANG Wei-ran.Wang Wei-hua 強(qiáng)化傳熱技術(shù)在 干熄焦裝置中的應(yīng)用研究 -河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2009,31(3 從焦化工序余熱資源量及余熱回收利用現(xiàn)狀出發(fā),分析了干熄焦裝置傳熱強(qiáng)化的途徑與技術(shù),并介紹了強(qiáng)化傳熱技術(shù)在干熄焦裝置上的應(yīng)用. 2.期刊論文 王亮.劉華飛.張欣欣 基于自動(dòng)控制概念的干熄爐傳熱一維模型 -燃料與化工2004,35(5 根據(jù)多孔介質(zhì)理論,采用非局域熱平衡方法,建立了干熄爐內(nèi)傳熱的一維數(shù)學(xué)模型.通過數(shù)值求解,得到了干熄爐內(nèi)氣體和焦炭的溫度分布規(guī)律,通過干 熄爐內(nèi)冷卻段焦炭和氣體的溫度分布可以判斷熄焦量與冷卻風(fēng)量是否合理匹配. 3.期刊論文 孔寧

17、.溫治.馮俊小.王琴.王德.夏紅波.程樂意.王偉民.沈元林.張永慶 干熄爐內(nèi)流動(dòng)和傳熱過程數(shù)學(xué) 模型的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) -工業(yè)加熱2003,32(5 全面系統(tǒng)地綜述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)干熄爐內(nèi)流動(dòng)和傳熱過程數(shù)學(xué)模型的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì).其中,利用多孔介質(zhì)理論建立的干熄爐內(nèi)流動(dòng)與傳熱過程 數(shù)學(xué)模型能夠比較真實(shí)地揭示干熄爐內(nèi)氣體流動(dòng)和氣固之間的換熱規(guī)律,已成為干熄爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其最優(yōu)控制的理論基礎(chǔ). 引證文獻(xiàn)(4條 1.尹少武.王立.孫淑鳳.童莉葛 懸浮床氮化硅合成熱過程的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬期刊論文-北京科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2008(10 2.Zhicheng Liu.Yanhui Feng.Xinxin Zhang.Lie