基于CPD模型热回收焦炉热工工况的数值模拟与研究

作     者：樊纯玉 

作者单位：辽宁科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟繁锐;李先春

授予年度：2023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：热回收焦炉 数值模拟 多孔介质 CPD模型 燃烧 

摘      要：焦化产业在我国经济发展中扮演着重要的角色,传统炼焦技术在炉体结构及环保设施方面均达到较高的水平,然而社会的进步使得炼焦行业依旧是高耗能、污染严重的行业,因此焦化企业将目标转向具有清洁煤转化技术的热回收焦炉。早期人们通过实验以及实际测量来获得炉内各项参数,消耗了大量人力和物力资源。近年来随着计算机技术的发展,数值模拟技术由于其效率高、速度快、耗能低等优点被广泛应用于焦炉热工况的特性研究工作中。本文以某工厂的新型热回收焦炉为研究对象,建立简化版炭化室三维几何结构。利用化学渗透脱挥发分（CPD）模型耦合多孔介质模型,得到马镇煤（MZ）煤饼挥发分在炉膛内部的扩散特性。根据挥发分释放量将稳态模拟计算过程分为五个区间,通过分析流场和温度场的变化情况,研究挥发分释放规律对炭化室内工况稳定性以及煤饼烧损状况的影响。结果表明,当挥发分释放量与空气量的当量比接近于1时,主要燃烧反应区域从炭化室下部向中部进行移动,煤饼表面的高温区间缩小,进而降低了煤饼表面的烧损状况。此外,挥发分的充分燃烧使炉内温度较高,可加快煤饼成焦速率。堆密度为1100 kg/m、空气入口速度为13.3m/s时,煤饼表面的温度分布更加均匀,炭化室有着较好的温度梯度以及较大的高温区域,有利于缩短焦炭成熟的时间,提高焦炭生产的效率和质量。60 h完整炼焦周期瞬态工况模拟计算结果表明,反应进行15 h时,挥发分释放量很少导致燃烧反应较弱,反应进行30 h时煤饼表面主要温度区间为1200 K～1400 K,这有利于加快焦炭成熟的速率,反应45 h和60 h两个时刻的煤饼表面温度分布都低于焦炭的成熟温度区间,因此不利于焦炭的成熟。为了探究CPD模型应用于热回收焦炉数值模拟的计算精度,以及煤种对炉内热工况的影响,本文选择三种炼焦煤（介离张JLZ、马镇MZ、罗根LG）进行热解实验,并结合模拟计算结果进行对比分析。研究结果表明,MZ煤热解实验结果与CPD模型计算结果在挥发分释放规律上有着相同的变化趋势,应用于数值模拟计算时,两者的计算结果也具有较高的相似度。对比三种煤样在热回收焦炉内的温度场以及沿X轴上的温度分布状况,结果表明马镇煤在炭化室内有着较高的温度区间,而且煤饼表面的温度梯度较为均匀,这不仅可以提高焦炭成熟的质量,也可以提高焦炭成熟的效率。