新型焦炉加热系统的数值模拟研究

作     者：徐智良 

作者单位：华东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金浩

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：焦炉传热 复热式焦炉燃烧室 分段加热 焦炉蓄热室 数值模拟 

摘      要：焦炉加热系统的工况十分复杂,而采用传统实验手段的研究成本较高。因此,通过对焦炉加热系统的数值模拟,能够分析焦炉加热系统内部难以观测的高温传热工况,以较低的成本反映各操作参数对于炼焦工艺过程的影响,从而得到工艺过程的最优方法。这种研究手段对于炼焦工业中涉及的生产、节能、减排等方面具有指导意义。本文以JNX-70-2型焦炉的设计结构为基础,采用CFD软件,通过合理简化,分别构建了三维分段加热的复热式焦炉燃烧室-炭化室传热模型以及分格式焦炉蓄热室模型。通过工厂实测数据与计算结果比对验证了模型的可靠性,并进一步分析了焦炉加热系统内部的传热传质工况与其影响因素。研究获得的主要结论如下:对于分段加热的复热式燃烧室而言,火焰焰心位置出现在上升气流的中上部,靠近中段燃气进口处;而在炭化室内,靠近燃烧室孔道砌墙一侧的煤料温度较低,在结焦末期较其他部位温度低约100 K左右;在整个结焦过程中,燃烧室出口处NOx的浓度随结焦时间的增大而升高;燃烧室进口空气过剩系数的提高将降低燃烧室内的气相温度,同时也会造成出口处NOx的浓度先减小后增大的现象,得到计算工况下的最佳进口空气过剩系数为1.35;混合煤气中,焦炉煤气浓度每提高5%,则燃烧室内各部位气相温度随之升高约100 K,炭化室与燃烧室隔墙壁面的热通量也随之增大,结焦时间缩短;此外,分段加热技术能够在改善气相温度分布均匀性的同时,明显降低燃烧室废气中污染物NOx的浓度,相比传统单段加热燃烧室而言,采用二段加热与三段加热技术分别能使燃烧室出口处的平均NOx浓度降低约15.6%和26.2%。对于分格式焦炉蓄热室而言,以高炉煤气蓄热室为例,在加热期内,其顶部空间处容易产生较强的气体涡流运动,加强了废气与格子砖的换热作用,导致加热初期的蓄热室高向温度梯度出现异常;得到了蓄热室不同高度处,气固两相温度的周期性变化规律;格子砖导热系数的增大将导致蓄热室出口气体温度与平均温度效率的降低,使冷却期内,出口处高炉煤气的最大温降增大,而格子砖密度与比热容的提高将略微降低蓄热室的平均温度效率,但能提高冷却期内,出口处高炉煤气温度的稳定性;加热期内,废气进口温度每提高50K,则冷却期内高炉煤气的出口温度也随之提高约25K,但同时也会导致温度效率的降低以及冷却期内出口高炉煤气的最大温度差增大;计算得到了燃烧室空气过剩系数取为1.35时,蓄热室的最佳废气流量分配系数约为0.94。