完整版干熄焦炉内固气流动及传热数值模拟毕业设计.docx

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完整版干熄焦炉内固气流动及传热数值模拟毕业设计

本科毕业论文

题目：

干熄焦炉内固-气流动及传热数值模拟

学院:

材料与冶金学院

专业:

材料成型及控制工程

学号:

学生姓名:

明廷勇

指导教师:

常庆明

日期:

二〇一五年六月

摘要

干熄焦技术相对传统的熄焦工艺具有节能、环保和提高焦炭质量等优点，在国内外得到了广泛的应用，各大钢厂都非常重视对干熄焦技术的研究。

随着干熄焦技术的不断发展，传统的研究方法已不能满足新的工艺要求。

本文以某厂140t/h的干熄焦炉为研究对象，建立了干熄焦炉的三维几何模型，采用多孔介质理论建立了干熄焦炉内固-气流动及传热的数学模型。

基于FLUENT软件中的多孔介质模型，利用UDS和UDF将FLUENT中的单能量方程改写为双能量方程，模拟干熄焦炉内固-气流动及传热情况，为干熄焦炉提供设计提供依据。

在此模型基础上，通过改变气体入口温度和速度，观察气体出口和焦炭出口温度的变化情况，分别分析气体入口风温和入口风速对干熄焦生产工艺的影响。

研究发现，气体从底部进入干熄焦炉后在斜道和环形气体发生了偏流，越靠近气体出口，气体流速越大；气体压降主要发生在冷却室，气压在斜道和环形气道达到最低；在炉内同一位置，焦炭温度恒比气体温度高，冷却室周边的换热比中心区域更充分。

气体入口风温对干熄焦生产工艺影响不大，气体出口和焦炭出口温度随气体入口风速的增大显著降低。

关键词：

干熄焦；多孔介质；FLUENT；数值模拟

Abstract

TheCokeDryQuenching（CDQ）technologyhavemoreadvantagesinenergysaving,environmentalprotectionandimprovingthequalityofandcokeoverthetraditionalcokequenchingprocess.Thistechnologyhasbeenwidelyusedbothathomeandabroad.Andthemajorsteelmillsattachgreatimportancetothestudyofcokedryquenchingtechnology.Withthecontinuousdevelopmentofdryquenchingtechnology,traditionalmethodscannotmeettherequirementsofnewchallenges.

Inthispaper,athree-dimensionalgeometricmodelofa140t/hcokedryquenchingunitisestablishedandamathematicalmodelforquenchingflowandheattransferbetweengasandcokeisestablishedbyusingthetheoryofporousmedia.BasedontheporousmediummodelinFLUENTsoftware,theuserdefinedscalars（UDS）anduserdefinedfunctions（UDF）areutilizedtochangesingle-energyequationintodouble-energyequations,inordertosimulatethesolid-gasflowandheattransferindrycokequenching,whichcanprovideabasisforCDQdesign.Onthebasisofthismodel,differentgas-inlettemperatureandvelocityaregivenforobservingthechangesinthegas-outletandcoke-outlettemperature,toanalyzehowgas-inlettemperatureandvelocitycanaffecttheCDQproductionprocess.

Theresultsshowthatgasinthechuteandringairwayhasthedriftphenomenon,andtheclosertotheoutlet,thefasterthevelocityis;thelossofgaspressuremainlyoccurredinthecoolingchamber,thelowestgaspressureforminthechuteandringairway;thecoketemperatureishigherthanthegastemperatureinanysamepositionofCDQandthesurroundingoftheCDQhasabetterheattransferthanthecenterofit.Gas-inlettemperaturemakeslittledifferentofcokedryquenchingprocess,whilethegas-inletvelocitymakesmuch.

Keywords:

CDQ；Porousmedium；FLUENT；Numericalsimulation

1绪论

1.1干熄焦技术

干法熄焦简称“干熄焦”，是相对于用水熄灭炽热焦炭的湿法熄焦而言的，它是利用低温的惰性气体在干熄焦炉内与高温的焦炭换热从而使红焦冷却。

红焦被冷却后从焦炉底部排出，吸收红焦热量的惰性气体进过一次除尘后将热量传给干熄锅炉，产生高压水蒸汽，被冷却的惰性气体再经过二次除尘，由鼓风机送入干熄焦炉内循环使用。

在干熄锅炉内产生的高压水蒸汽可用于发电或供暖。

干法熄焦相对于湿法熄焦具有三大优点[1]：

（1）吸收红焦80%热量，节约能源。

传统的湿熄焦采用喷水降温，红焦的热量浪费费很大。

而干熄焦避免了这个缺点，它能吸收红焦80%左右的热量使之产生蒸汽，平均每熄1t焦炭可回收3.9-4.0MPa、450℃蒸汽0.45-0.55t。

（2）提高焦炭的质量。

焦炭在干熄炉的预存室停留过程中相当于进行了再炼焦，且在均匀的下降过程中冷却速度慢,因此焦炭裂纹少，强度高。

（3）改善环境，减少污染。

湿熄焦所采用的水主要是化工车间的冷却水，其中含有大量的酚，氰等有害物质。

湿法熄焦产生的蒸汽及残留在焦内的酚，氰，硫化物等腐蚀性介质，侵蚀周围建筑物，并能扩散到几公里外的范围，造成大面积的空气污染[2]。

干熄焦则由于采用惰性气体在密闭的干熄炉内冷却红焦,并配备良好有效的除尘设施,几乎不产生环境污染。

由于本身的先进性，干熄焦技术已经在同行业中占据主导地位。

自20世纪80年代以来，干熄焦设备的高效化和大型化成为了必然的发展趋势。

建设大型生产设备具有降低运营成本、便于自动化管理和生产率高等优点，而掌握干熄焦内固-气流动及传热规律是实现大型化的关键所在[3]。

1.2干熄焦工艺流程

干熄焦装置主要包括干熄炉、装入装置、排焦装置、提升机、电机车及焦罐台车、焦罐、一次除尘器、二次除尘器、干熄焦锅炉单元、循环风机、除尘地面站、水处理单位、自动控制部分、发电部分等。

如图1.1为干熄焦工艺流程图，主要包括焦炭流程、惰性气体循环流程、汽水循环流程和除尘系统流程。

图1.1干法熄焦工艺流程图

（1）焦炭流程

推焦车将1000℃左右的高温红焦由炭化室推出，经过拦焦车导焦栅后，由焦罐车上的旋转焦罐接受，在电机车牵引下引至提升塔底部，再由提升机将焦罐提升到提升塔顶部，然后平移到干熄焦炉的顶部，浇灌底部自动打开，开始装焦。

红焦进入干熄炉后先在预存室停滞，随着干熄炉底部排焦的进行，焦炭下降到冷却室，在冷却室中与惰性循环气体进行热交换。

焦炭被冷却到200℃以下就会经干熄焦炉底部的平板闸门、电磁振动给料器、旋转密封阀、双岔溜槽排出，并由专用皮带输送机运走。

（2）惰性气体循环流程

循环气体通过循环风机送入，经热管换热器对其再冷却，130℃左右的低温惰性气体从底部进入干熄焦炉，经周边风道和中央风帽进入冷却室与焦炭进行热交换，升温至800℃左右，再经过斜道、环形气道从气体出口排出干熄炉。

升温后的惰性气体经过一次除尘器，分离气体中带有的粗颗粒焦粉，然后进入干熄焦锅炉将热量传给高压水蒸汽，温度降至约160℃左右后，进入二次除尘器进一步分离其中的细颗粒焦粉，最后返回循环风机，如此循环使用。

（3）汽水循环流程

低温的锅炉用水被送水泵至干熄焦锅炉的锅筒内，与高温的惰性循环气体进行热交换，吸收高温气体的热量；吸热后的锅炉用水经过循环水泵重新进入锅炉内，依次经过两个蒸发器，然后再一次在锅筒处与高温气体进行热交换，产生蒸汽；产生的蒸汽依次通过两次过热器，形成高压蒸汽。

最后，高压蒸汽被送至干熄焦的汽轮发电站，将热量转化为电能以供使用。

而降低了压力和温度的蒸汽又会被送到蒸汽管道中以便循环使用。

（4）除尘系统流程

循环气体与焦炭颗粒逆向流动过程中会夹杂着焦粉颗粒，需要采用除尘装置来净化循环气体。

惰性气体在一次循环过程中要经历两次除尘。

第一次除尘过程采用重力除尘，经一次除尘器分离出的粗颗粒焦粉进入一次除尘器底部的水冷套管冷却，焦粉达到上限后由底部排至刮板机。

第二次除尘过程采用多管旋风式除尘，二次除尘分离出的细颗粒焦粉传至灰斗内，当焦粉料位达到上限时，灰斗出口排灰阀向刮板机排出焦粉。

焦粉料位达到下限时，为以防止从负压排灰口吸入空气，造成气体循环系统压力失衡，应及时停止排除焦粉。

经一次除尘器和二次除尘器排到刮板机的焦粉会送至焦粉仓集中，进行再利用。

1.3干熄焦炉内固-气流动及传热的研究现状

1.3.1前苏联的研究

早期的干熄炉设计，一般都采用实验中确定的经验关系式来计算气体压降和熄焦时间，从而确定干熄炉的尺寸，以前苏联所做的工作最具代表性。

前苏联国立焦化设计院采用布鲁克-盖鲁曼公式或雅瓦良柯公式[2]计算干熄炉内的流体阻力，得到的计算值和实际测量值非常接近。

干熄炉设计中的一个主要任务就是确定熄焦时间。

当时确定熄焦时间已经有了很多经验方法，但是不同方法确定的熄焦时间在数值上有很大差异。

前苏联的研究人员把干熄炉看成一个整体，用总体热平衡来计算压降和熄焦时间，并建立了计算熄焦时间的方程式。

Grishchenko[4]等假定干熄炉内气体流动和焦炭下降运动均为“活塞流”，只考虑干熄炉沿高度方向上的温度变化，提出了一维传热数学模型，并建立了气体和焦炭温度的控制方程。

这些研究虽然取得了一定的效果，但均未能考虑干熄焦炉横截面上气流的偏析、焦粒下降速度的不均匀性和焦炭粒度分布的影响。

1.3.2日本的研究

日本自70年代从前苏联引进干熄焦技术后，新日铁株式会社、日本钢管株式会社等在于熄焦装置大型化过程中对干熄炉内气体的流动和传热做了大量的基础研究工作。

Sugano[5,6]等在研究干熄炉内流动及传热时，假定炉内气体流动为“柱塞流”，焦炭为等径球体。

在该模型中，由于将焦炭视为等径球体，与实际干熄炉中焦炭形状不规则和粒度分布的情况相距较远，因此误差较大。

日铁株式会社的Yuto[7,8]等分析了大量工业试验装置的运行数据后，发现干熄炉内焦炭之所以出现冷却不均匀，主要是因为焦炭粒度分布不均匀，即传热的偏析主要是粒度的偏析造成的，这显然是影响干熄焦装置大型化的主要问题之一。

为了能提高布料的均匀性，Yuto等人在1：

1的模型上进行了粒度分布的实验研究，实验中借鉴了高炉的成功经验，采用钟型布料器布料，大大改善了焦炭粒度的均匀性。

此外，在满足干熄焦生产能力的条件下，如何能够减少投资和节省运营成本是干熄焦装置实现大型化面临的另一个重大问题，也即气焦比和冷却段尺寸设计的优化问题。

由于采用传统的经验公式和一维的传热模型根本无法评价粒度偏析对熄焦过程的影响，无法进行优化设计。

因此Katalka[9]等利用多孔介质理论，又建立了干熄炉内流动和传热的二维模型，并成功地应用到干熄炉的大型化设计中。

但是该模型假定焦炭为球体，与实际中干熄炉内焦炭形状不规则的情况相差较大。

1.3.3国内的研究

我国自1985年从日本引进干熄焦技术，已经发展了三十年，特别是在近些年国内外干熄焦技术竞争愈发激烈的情况下，各大钢厂加大了对干熄焦技术的研究，逐步建立了一整套干熄焦的基础理论。

孔宁、温治[10]等在研究干熄焦炉固-气流动及传热规律时，建立了一维数学模型进行仿真计算，最终得到了最佳的气料比，这对干熄焦技术优化具有重要的指导意义。

冯妍卉[11]等通过模拟干熄焦炉的传热实验，得到了循环气体与焦炭之间的平均换热系数和局部换热系数，为干熄焦技术的研究提供了重要的理论依据。

刘华飞，张欣欣[12]等在研究干熄炉内固-气流体流动及传热情况时，基于多孔介质理论,采用非达西流和非局域热平衡方法,建立了二维数学模型,并采用基于非正交同位网格的SMPLE方法求解对流扩散方程。

通过数值模拟计算,得到了干熄炉内气体流场、压力场以及惰性气体和焦炭的温度场分布规律。

张丽珠[13]等利用FLUENT对干熄焦炉内的流动及传热情况进行了数值模拟，得到了循环气体在环形气道的速度分布不均，循环气体循环风量对干熄焦炉内压力影响不大等结论。

1.4课题研究的意义与内容

1.4.1课题研究的意义

干熄焦技术具有节能环保、提高焦炭质量等优点，在国内外都有非常广泛的应用。

我国的干熄焦技术起步比较晚，虽然近些年有了很大的进步，但是与日本、德国等拥有先进的干熄焦技术国家还有一定的差距，因此加大对干熄焦技术的研究对我国钢铁事业的发展有重大的意义。

干熄焦斜道区结构复杂，炉内工作条件变化大，焦炭和循环气体的冲刷、斜道区内存在的较大温差产生的热应力、有害物质的化学侵蚀等诸多因素都影响着干熄焦炉内耐火材料的使用寿命。

而现实中进行换热实验研究成本较高，对干熄焦炉内固-气流动和换热的进行仿真模拟，可以降低实验成本。

同时，对干熄焦炉内固-气流动和换热的仿真模拟的研究，已经体现出了数值模拟的准确性和可行性。

因此，数值模拟作为一种新的研究方法必将得到进一步的发展。

1.4.2课题研究的内容

本文以某钢厂140t/h干熄焦装置为研究对象，建立干熄焦炉内循环气体和焦炭颗粒间流动和传热的物理数学模型，利用前处理软件ICEM对干熄炉模型进行网格划分。

基于FLUENT中的多孔介质模型模拟干熄焦炉内固-气流动情况，采用UDS和UDF将FLUENT中的单能量方程改写为双能量方程，模拟循环气体和焦炭换热情况。

根据模拟结果，分析气体和焦炭在干熄焦炉内的压力场、速度场和温度场分布规律，为干熄焦炉的设计提供依据。

在此基础上，通过调节气体入口速度和入口风温，观察气体出口温度和焦炭出口温度的变化情况，分析各种工作参数对固-气流动和传热的影响，得到最佳工作参数，优化生产工艺。

2研究方法-CFD

2.1FLUENT软件介绍

ComputationalFluidDynamics，即计算流体动力学,简称CFD。

CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。

它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。

FLUENT是目前比较流行的CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。

由于采用了多种求解方法和多重网络加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。

FLUENT求解的思路和步骤是根据实际情况抽象并建立物理模型，然后选择求解模型，设置边界条件和初始条件，设置迭代和控制参数并进行计算，最后进行后处理和分析，或者根据实验结果重新调整参数进行计算直至得到可接受的结果。

干熄焦炉内的焦炭有形状大小不一、空隙数量巨大和孔径较小的特点，因此，循环气体与焦炭之间的流动和换热可以看作是循环气体在焦炭颗粒组成的多孔介质间的流动和换热。

FLUENT软件中的多孔介质模型能较准确地模拟干熄焦内固-气流动及传热的规律。

2.2FLUENT软件的二次开发

FLUENT软件的多孔介质模型采用的单能量方程，而干熄焦炉内焦炭和冷却气体的温度恒不相等，必须采用非局域热平衡的双能量方程来研究两者间的换热，因此需要借助UDS和UDF对FLUENT软件进行二次开发。

首先，通过UDS分别定义焦炭和循环气体的温度，采用双能量方程处理冷却气体与焦炭之间的换热，利用UDF分别编写焦炭和气体能量方程中的源项、对流项和扩散项，然后导入FLUENT软件中进行编译，将多孔介质中的单能量方程开发成双能量方程。

UDS中的DEFINE_DIFFUSIVITY宏函数可以定义焦炭和惰性气体能量方程中的扩散系数。

具体程序代码如下所示，其中solid_diffusivity表示焦炭的扩散系数，solid_diffusivity表示气体的扩散系数。

DEFINE_DIFFUSIVITY（solid_diffusivity,c,t,i）

{

realphi=0.525;/焦炭孔隙率/

realks=1.1;/焦炭导热系数/

realcs=960;/焦炭比热/

realdiff_solid;

diff_solid=（1-phi）*ks;/根据公式求出扩散系数/

returndiff_solid;/返回扩散系数/

}

DEFINE_DIFFUSIVITY（solid_diffusivity,c,t,i）

{

realphi=0.525;/惰性气体孔隙率/

realks=0.0242;/惰性气体导热系数/

realcf=1040.67;/惰性气体比热/

realdiff_fluid;

diff_solid=（1-phi）*ks;/根据公式求出扩散系数/

returndiff_solid;/返回扩散系数/

}

UDS中的宏函数DEFINE_UDS_FLUX可以定义焦炭和气体能量方程中的对流项。

具体程序代码如下所示，其中solid_flux表示焦炭对流项，fluid_flux表示气体对流项。

DEFINE_UDS_FLUX（solid_flux,f,t,i）

{

cell_tc0,c1=-1;

Thread*t0,*t1=NULL;

realNV_VEC（psi_vec）,NV_VEC（A）,flux=0.0;

realdens;

c0=F_C0（f,t）;

t0=F_C0_THREAD（f,t）;

F_AREA（A,f,t）;

/*Iffaceliesatdomainboundary,usefacevalues;*/

/*IffaceliesINthedomain,useaverageofadjacentcells.*/

if（BOUNDARY_FACE_THREAD_P（t））/*Mostfacevalueswillbeavailable*/

{

/*DependingonitsBC,densitymaynotbesetonfacethread*/

if（NNULLP（THREAD_STORAGE（t,SV_DENSITY）））

dens=F_R（f,t）;/*Setdenstofacevalueifavailable*/

else

dens=C_R（c0,t0）;/*else,setdenstocellvalue*/

dens=1072.75;

NV_DS（psi_vec,=,0,-0.001,0,*,dens）;

//Message（"dens=%f\n",dens）;

flux=NV_DOT（psi_vec,A）;/*fluxthroughFace*/

}

else

{

c1=F_C1（f,t）;/*Getcellonothersideofface*/

t1=F_C1_THREAD（f,t）;

dens=1072.75;

NV_DS（psi_vec,=,0,-0.001,0,*,dens）;

NV_DS（psi_vec,+=,0,-0.001,0,*,dens）;

flux=NV_DOT（psi_vec,A）/2.0;/*Averagefluxthroughface*/

}

returnflux;

}

DEFINE_UDS_FLUX（fluid_flux,f,t,i）

{

cell_tc0,c1=-1;

Thread*t0,*t1=NULL;

realNV_VEC（psi_vec）,NV_VEC（A）,flux=0.0;

c0=F_C0（f,t）;

t0=F_C0_THREAD（f,t）;

F_AREA（A,f,t）;

/*Iffaceliesatdomainboundary,usefacevalues;*/

/*IffaceliesINthedomain,useaverageofadjacentcells.*/

If（BOUNDARY_FACE_THREAD_P（t））/*Mostfacevalueswillbeavailable*/

{

realdens;

/*DependingonitsBC,densitymaynotbesetonfacethread*/

if（NNULLP（THREAD_STORAGE（t,SV_DENSITY）））

dens=F_R（f,t）;/*Setdenstofacevalueifavailable*/

else

dens=C_R（c0,t0）;/*else,setdenstocellvalue*/

NV_DS（psi_vec,=,F_U（f,t）,F_V（f,t）,F_W（f,t）,*,dens）;

flux=NV_DOT（psi_vec,A）;/*fluxthroughFace*/

}

Else

{

c1=F_C1（f,t）;/*Getcellonothersideofface*/

t1=F_C1_THREAD（f,t）;

NV_DS（psi_vec,=,C_U（c0,t0）,C_V（c0,t0）,C_W（c0,t0）,*,C_R（c0,t0））;

NV_DS（psi_vec,+=,C_U（c1,t1）,C_V（c1,t1）,C_W（c1,t1）,*,C_R（c1