干熄爐冷卻段高徑比影響因素研究

朱長軍 馬小京 何文海 馬健 馬志勇（首鋼京唐西山焦化有限責(zé)任公司，河北唐山063200）

干熄爐冷卻段高徑比影響因素研究

朱長軍 馬小京 何文海 馬健 馬志勇（首鋼京唐西山焦化有限責(zé)任公司，河北唐山063200）

本文主要結(jié)合首鋼京唐西山焦化有限公司投用的世界最大型干熄焦裝置，對實現(xiàn)大型化的過程中對干熄爐冷卻段直徑不同變化下的影響因素進(jìn)行了研究。

干熄焦；冷卻段；溫度場

京唐焦化部現(xiàn)有四座7.63m焦?fàn)t，每座為70孔，2座焦?fàn)t小時全焦產(chǎn)量246t/h，公司根據(jù)目前世界上干熄焦技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，在盡可能降低工程投資、運行維護(hù)成本的原則下，最終配套建設(shè)了處理能力2×260t/h的干熄焦裝置及配套設(shè)施。京唐公司所投用的干熄焦裝置通過新設(shè)備、新技術(shù)的大量優(yōu)化改進(jìn)，解決了制約干熄焦處理能力大型化的難點，最終通過大型化達(dá)到減少成本投入增加效益產(chǎn)出的企業(yè)效益目標(biāo)。本文重點對冷卻室直徑優(yōu)化方面通過仿真研發(fā)的成果進(jìn)行介紹。

1 干熄槽物理模型的建立

在干熄焦系統(tǒng)中，由焦?fàn)t煉好的焦炭用焦罐裝載，從干熄爐的頂部進(jìn)入干熄爐上部的預(yù)存段，經(jīng)過冷卻段冷卻后從干熄爐底部排出，循環(huán)氣體在風(fēng)機(jī)的作用下分別由底部的中心風(fēng)帽和周邊環(huán)縫鼓入，被加熱后從上部的斜道口排出。在干熄爐內(nèi)部紅焦至上而下運動，氣體自下而上運動，二者在逆向運動中完成換熱熄焦過程。

整體而言可以采用Euler方法，將干熄爐內(nèi)下降運動的焦炭視為“擬流體”，應(yīng)用粘性流模型，對干熄爐內(nèi)焦炭下降運動和換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。為了充分研究干熄槽內(nèi)的運動與傳熱過程，將建立干熄槽內(nèi)三維的運動與傳熱模型。

2 干熄槽三維模型的建立

2.1 假設(shè)條件及方程

干熄爐內(nèi)的過程非常復(fù)雜，針對干熄爐內(nèi)的流動問題引入如下假設(shè)：

（1）干熄爐內(nèi)焦炭床為各相同性的多孔介質(zhì)，不考慮焦炭本身的多孔性及高溫下形變；

（2）焦炭床層氣體流動為單向的非Darcy流；

（3）焦炭在下降的過程中，沿徑向焦炭粒度的分布不改變；

（4）干熄爐內(nèi)氣體流動視為不可壓縮流，氣體密度的變化遵從理想氣體狀態(tài)方程；

（5）假定焦炭與氣體在焦炭冷卻過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

（6）為簡化邊界條件，干熄爐外壁及中心風(fēng)帽外壁的散熱均按恒熱流處理。

焦炭冷卻過程滿足動量守恒方程：

對于氣體來說，滿足連續(xù)性方程：

氣體能量守恒方程為：

焦炭能量守恒方程為：

式中：

下標(biāo)f-氣體；

下標(biāo)s-焦炭；

下標(biāo)eff-有效；

T-溫度；

t-時間；

r-密度；

V-速度；

m-粘度系數(shù)；

l-傳導(dǎo)系數(shù)；

Cp-比熱；

e-空隙率；

F-慣性系數(shù)；

K-滲透系數(shù)；

hn-換熱系數(shù)；

dp-焦炭平均粒度；

u0-標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的Darcy流速。

初始條件：

圖3.1 冷卻段直徑對焦炭溫度場的影響

圖3.2 冷卻段直徑對床層壓力分布的影響

邊界條件：

干熄槽底部

干熄槽頂部

斜煙道口

干熄槽外壁

2.2 干熄焦過程各主要工藝參數(shù)

循環(huán)氣體的主要參數(shù)（見表2.1）

表2.1 循環(huán)氣體的主要參數(shù)

焦炭基本數(shù)據(jù)（見表2.2）

表2.2 焦炭基本數(shù)據(jù)

紅焦溫度1050℃、循環(huán)氣體入口溫度150℃（見表2.3）

表2.3 京唐260t/h干熄爐的工藝參數(shù)

H2 O2 CO CO2裝入焦炭溫度預(yù)存段直筒段高度斜道高度冷卻段直筒段高度冷卻段直徑預(yù)存段直徑焦炭堆密度中心/環(huán)縫風(fēng)量比焦炭平均粒徑%%%%℃m m m m m kg/m3 mm 0．907 0 3．747 15．823 1050 6．722/13．794 4．624 5．67 13 11．2 500 50%：50%60

3 干熄槽冷卻段直徑影響模擬結(jié)果及分析

針對干熄爐結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析計算，參數(shù)以表2.3的參數(shù)為基準(zhǔn)，并假設(shè)焦炭粒度沿徑向均勻分布，在對某個參數(shù)分析時，假設(shè)其它參數(shù)不變。

冷卻段直徑也是干熄爐設(shè)計的一個重要參數(shù)，在干熄爐設(shè)計中，確定冷卻段直徑時一般使標(biāo)準(zhǔn)狀況下干熄爐橫截面上氣體的Darcy流速維持在1.0m/s左右。

在焦炭處理量不變的情況下，冷卻段直徑改變后，焦炭在冷卻段停留時間也相應(yīng)改變。冷卻段直徑增加，焦炭下降速度減小，焦炭停留時間延長；冷卻段直徑減小，焦炭下降速度增大，焦炭停留時間變小。

3.1 溫度場的變化

圖3.1是冷卻段直徑比原設(shè)計直徑增加10%和減小10%時焦炭的溫度場。由圖3.1可以看出，冷卻段直徑減小后，焦炭等溫線明顯向出料口方向下移；冷卻段直徑增加后，焦炭等溫線向上移動。

3.2 床層壓力變化

冷卻段直徑減小后，截面的氣體流速增大，床層的壓降也隨之增大，如圖3.2所示。但是直徑增加后會帶來另一個嚴(yán)重的問題，即焦炭粒度分布不均勻而引起氣流偏析，所以增大冷卻段直徑的同時還相應(yīng)確保布料的均勻性。

通過建立干熄爐三維模型，可以經(jīng)計算得出了干熄爐冷卻段直徑變化后對爐內(nèi)焦炭溫度場影響、對床層壓力分布的影響，為干熄爐冷卻段高徑比的最佳設(shè)計提供了參考。