焦炉加热系统流量分配的数值仿真.doc

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1、焦炉加热系统流量分配的数值仿真金珂1，冯妍卉1，张欣欣1，王明登2，杨俊峰2，马小波2(1.北京科技大学机械工程学院，北京100083；2.中冶焦耐工程技术有限公司，辽宁大连116085)摘要：基于焦炉蓄热室的结构特点以及内部的流动过程，以质量守恒定律和动量守恒定律为基础，建立了焦炉蓄热室的小烟道及斜道区域的三维数理模型。利用数值模拟的方法对模型进行求解，揭示了蓄热室内气体流动的规律，计算出小烟道区域的相对压力分布以及篦子砖出口处和斜道出口处的气体流量分布。研究结果表明：从机侧到蓄热室中心处，相对压力值逐渐增大。在相同规格条件下，靠近蓄热室中心处的篦子砖

2、出口流量偏大。由于结构的对称性，焦侧蓄热室的流量分布规律与机侧蓄热室的规律一致。合理的布置篦子砖规格有利于蓄热室长向加热均匀性。从机侧到焦侧，斜道出口的流量呈逐渐增大的趋势。而两侧炉头因其散热量比较大，故其气体流量较之中部立火道有所增大。关键词：焦炉；蓄热室；小烟道；斜道；数值模拟焦炭是冶金行业的主要原料。焦炉作为焦化行业的主体设备，经过数百年的发展，已经从远古时代的木炭窑式焦炉发展到了现代蓄热式焦炉。现代蓄热式焦炉主要由燃烧室、炭化室和蓄热室组成，蓄热室与燃烧室合称为焦炉的加热系统。对于焦炉的研究，现阶段主要针对燃烧室与炭化室，如田代清[1]，郭占成[

3、2]等分别利用数值模拟的方法研究了炭化室内煤料的导热和焦化过程；而陈鸿复[3]、PVBarr[4]等也建立了描述燃烧室内复杂过程的数学模型。笔者也曾提出燃烧室-炭化室的三维耦合模型以及相应的数学解耦算法[5-6]。然而，对于焦炉蓄热室的研究相对比较少见。蓄热室作为加热系统的组成部分，其主要作用包括高炉煤气、助燃空气的预热以及控制气体沿焦炉长度方向的流量分配。其中，长度方向的流量分配将会直接影响焦炉长度方向的加热均匀性。因此，如何控制蓄热室内的流量分配显得尤为重要。焦炉蓄热室长度方向的流量分配主要由小烟道篦子砖及蓄热室顶部气体斜道出口尺寸决定。现阶段管道流

4、量分配得到越来越多的科研工作者重视，杨先亮[7]、朱玉琴[8]等分别通过试验和数值计算的方法研究了并联管路特性及流量分配的规律。钟贤和等[9]借助数值模拟的方法研究了烟气加热过程中大流量多支管流量分配的规律并通过试验的方法进行了验证。徐建军等[10]利用数值模拟的方法研究了矩形窄缝多通道的流量分配规律。张伟等[11]通过质量与能量的衡算关系建立了树状分配管系统数学模型，并采用“逆算型迭代法”得出了流量的分配规律。吴冕[12]、段广彬等[13]用数值模拟的方法分别研究了流体、固体颗粒在Y型管道中的流量分配规律并与试验值进行了对比。申敬罡等[14]通过试验方

5、法研究了不同管道对Y型管道流量分配的影响。综上所述，现阶段的研究主要是针对少量的并联管道以及Y型管道，因其通道数量偏少故其研究工作相对比较容易，而对于类似于焦炉蓄热室小烟道-斜道区域内多管道分布的流量分配规律，目前的研究相对比较少见。为此，笔者基于流体力学的基本原理，结合焦炉蓄热室小烟道-篦子砖-斜道区的结构特点，建立了焦炉蓄热室小烟道-篦子砖-斜道区的数理模型，通过数值模拟的方法计算了蓄热室内部的压力分布以及长度方向的流量分配规律，反映出焦炉长度方向的加热均匀性，为焦炉的实际生产提供了有力的理论依据。1蓄热室小烟道-斜道区数理模型的建立1.1物理模型焦

6、炉蓄热室由小烟道、篦子砖、格子砖以及斜道构成，机侧与焦侧蓄热室由隔墙隔开。小烟道篦子砖主要用于控制长度方向的气体流量及压力分布，而斜道区则直接控制最后进入燃烧室的气体流量。蓄热室的供气方式主要有两侧同时供气和单侧供气两种方式。传统下喷式焦炉蓄热室采用的是两侧同时供气方式。基于上述蓄热室的结构特征以及生产运行方式，为减小计算量，提高计算效率，笔者分别建立蓄热室小烟道-篦子砖数理模型和斜道区模型，主要的计算域如图1和图2所示。可以看出，气体从小烟道左侧进入，通过篦子砖进入蓄热室，小烟道的尺寸分布对流量的分配起着很重要的作用。气体进入蓄热室后通过斜道出口到达立

7、火道，斜道的尺寸分布将直接影响最后进入立火道的气体流量。1.2控制方程组气体在小烟道及斜道区域内高度方向上的温度变化甚微。为了提高计算效率，缩短计算时间，流体流动计算过程中暂时不考虑热过程的影响。1.2.1连续方程式中：ρ为流体密度，kg/m3；u，v，w分别为x，y，z方向上的流体速度，m/s。1.2.2动量方程式中：ui，uj分别为i，j方向气体速度，i，j=1，2，3，m/s；μ为气体黏性系数，Pa·s；p为压力，Pa。1.2.3k-ε方程式中：k为湍流脉动动能，m2/s；ε为湍动能耗散率，m2/s；Gk为由层流速度梯度而产生的湍动能，kg/(m·

8、s)；Gb为由浮力产生的湍动能，kg/(m·s)；YM为在可压缩湍流中，过渡扩散