干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動的數(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：（）一干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動的數(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，采用非達西流和非局域熱平衡方法，建立了干熄爐內(nèi)流體流動和傳熱的數(shù)學(xué)模型，并采用基于非正交同位網(wǎng)格的方法求解對流擴散方程。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)鍵是改善布料時焦炭粒度分布的均勻性。關(guān)鍵詞：干熄焦；多孔介質(zhì)；非達西流；非局域熱平衡；非正交網(wǎng)格；數(shù)學(xué)模型中圖分類號：文獻標識碼：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)機鼓入干熄爐循環(huán)使用。干法熄焦（）相對于濕法熄焦（）具有以下優(yōu)點：可回收約的紅焦顯熱；避免濕法熄焦對環(huán)境的污染；能提高焦炭強度，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)和日本在其國內(nèi)的多數(shù)大型焦化廠都配備了干熄焦裝置。我國自年代以來也陸續(xù)從前蘇聯(lián)和日本引進了十幾套裝置。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、紅焦自上而下運動，二者在逆向運動中完成熄焦過程。這個過程從本質(zhì)上講是氣體在焦炭顆粒組成的多孔移動床內(nèi)的強迫對流換熱。本文根據(jù)多孔介質(zhì)理論，采用非達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)，本文將實際的干熄爐抽象為二維軸對稱變徑圓柱模型。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)師萬方數(shù)據(jù)熱科學(xué)與技術(shù)第卷（）爐內(nèi)氣體流動被認為是單相二維軸對稱穩(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和傳熱的控制方程包含連續(xù)方程、動量方程、能量方程和狀態(tài)方程如下：連續(xù)方程掣一彳（）一（）動量方程（）（）（）一一：一。甜打差（肚警）曇（警）一陽一等“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)警卜隱等厄萬贏考慮焦炭內(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)，（）；為動力粘度，；為孔隙率；，為焦炭顆粒當量直徑，；為重力加速度，且一；下標，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。氣體對焦炭的容積對流換熱系數(shù)礦，（）采用公式計算，其表達式為恚忐志。（一）九“。一帶（）式中：“。為標況下氣體流速。采用薩斯科夫和洛別斯卡婭提出的公式計算焦炭床孑隙率：一×（口）（）式中：口，口。為篩級組成，；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（）、萬方數(shù)據(jù)第期劉華飛等：于熄爐內(nèi)傳熱和流體流動的數(shù)學(xué)模型干熄爐和風(fēng)帽外壁：驢驢，一九警一一九識一（）對稱軸線上：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。計算方法和結(jié)果分析以國內(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)，對干熄爐內(nèi)的流體流動與氣固換熱進行了數(shù)值模擬，主要研究焦炭粒徑分布對熄焦過程的影響。表為計算用參數(shù)。數(shù)值方法與計算網(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，對于界面的對流通量采用延遲修正的方法計算。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，粒徑分布為。（尺）一；無料鐘布料時，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)象越嚴重。速度偏析的主要原因有兩個：（）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的通道；（）現(xiàn)代干熄爐普遍采用預(yù)存段來存

9、儲焦炭，以便在裝料間隙和焦爐推焦中斷時起緩沖作用，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動從斜道排出。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改善氣體速度的偏析。萬方數(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，符合實際設(shè)計中避免循環(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，布料不均勻會造成干熄爐冷卻段徑向氣體速度和氣固溫度的嚴重偏析。（）改變布料方式使布料時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：，（）：，干法熄焦李哲浩，等譯北京：冶金工業(yè)出版社，（）：】萬方數(shù)據(jù)第期劉華飛等：干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動的數(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第十屆全國學(xué)術(shù)會議征文通知根據(jù)年高等學(xué)校工程熱物理研究會第十屆理事會第一次會議決定，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學(xué)術(shù)會議，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、蒸汽動力工程、內(nèi)燃機、渦輪機、壓氣機、熱物理量測及計算技術(shù)等方面的論文均可投稿。來稿請寄一式二份，請在稿件的左上角注明論文所屬的類別（按征稿范圍中所列分類、和標注）。應(yīng)征論文要求觀點明

13、確、論據(jù)充分、公式正確、數(shù)據(jù)準確、圖表清晰、文字簡練。具體格式要求參見封三熱科學(xué)與技術(shù)投稿須知。經(jīng)專家評審錄用的論文將由研究會統(tǒng)一編號，并通知作者統(tǒng)一的打印格式。研究會將作者寄回的打印稿，統(tǒng)一制版、印刷并出版論文集。凡在國內(nèi)外公開刊物、書籍和全國性學(xué)術(shù)會議上發(fā)表過的論文，恕不接受，作者請勿一稿兩投。所投稿件錄用與否，恕不退稿，請作者自留底稿。應(yīng)征論文請寄至：天津市衛(wèi)津路號天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室王海同志收。郵政編碼：；電話：（）；傳真：（）；：為便于聯(lián)系，請作者另紙寫明詳細的通訊地址和郵政編碼、家庭與辦公室電話或移動電話號碼，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）。

14、經(jīng)評審錄用的論文將于年月日通知作者。在會上宣讀的論文，經(jīng)專家評審后的優(yōu)秀論文，將推薦給高等學(xué)校工程熱物理研究會大型綜合性學(xué)術(shù)期刊熱科學(xué)與技術(shù)發(fā)表。萬方數(shù)據(jù)干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動的數(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(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(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（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化的途徑與技術(shù),并介紹了強化傳熱技術(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)流動和傳熱過程數(shù)學(xué) 模型的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 -工業(yè)加熱2003,32(5 全面系統(tǒng)地綜述了國內(nèi)外有關(guān)干熄爐內(nèi)流動和傳熱過程數(shù)學(xué)模型的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢.其中,利用多孔介質(zhì)理論建立的干熄爐內(nèi)流動與傳熱過程 數(shù)學(xué)模型能夠比較真實地揭示干熄爐內(nèi)氣體流動和氣固之間的換熱規(guī)律,已成為干熄爐的優(yōu)化設(shè)計及其最優(yōu)控制的理論基礎(chǔ). 引證文獻(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驗研究與數(shù)值模擬期刊論文-北京科技大學(xué)學(xué)報 2008(10 2.Zhicheng Liu.Yanhui Feng.Xinxin Zhang.Lie