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任公司，河北唐山063200）

本文主要結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行了研究。

干熄焦；冷卻段；溫度場

京唐焦化部現有四座7.63m焦爐，每座為70孔，2座焦爐小時全焦產量246t/h，公司根據目前世界上干熄焦技術的發展狀況，在盡可能降低工程投資、運行維護成本的原則下，最終配套建設了處理能力2×260t/h的干熄焦裝置及配套設施。京唐公司所投用的干熄焦裝置通過新設備、新技術的大量優化改進，解決了制約干熄焦處理能力大型化的難點，最終通過大型化達到減少成本投入增加效益產出的企業效益目標。本文重點對冷卻室直徑優化方面通過仿真研發的成果進行介紹。

1 干熄槽物理模型的建立

在干熄焦系統中，由焦爐煉好的焦炭用焦罐裝載，從干熄爐的頂部進入干熄爐上部的預存段，經過冷卻段冷卻后從干熄爐底部排出，循環氣體在風機的作用下分別由底部的中心風帽和周邊環縫鼓入，被加熱后從上部的斜道口排出。在干熄爐內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，將干熄爐內下降運動的焦炭視為“擬流體”，應用粘性流模型，對干熄爐內焦炭下降運動和換熱進行數值模擬。為了充分研究干熄槽內的運動與傳熱過程，將建立干熄槽內三維的運動與傳熱模型。

2 干熄槽三維模型的建立

2.1 假設條件及方程

干熄爐內的過程非常復雜，針對干熄爐內的流動問題引入如下假設：

（1）干熄爐內焦炭床為各相同性的多孔介質，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方程；

（5）假定焦炭與氣體在焦炭冷卻過程中不發生化學反應；

（6）為簡化邊界條件，干熄爐外壁及中心風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f-氣體；

下標s-焦炭；

下標eff-有效；

T-溫度；

t-時間；

r-密度；

V-速度；

m-粘度系數；

l-傳導系數；

Cp-比熱；

e-空隙率；

F-慣性系數；

K-滲透系數；

hn-換熱系數；

dp-焦炭平均粒度；

u0-標準狀況下氣體的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

循環氣體的主要參數（見表2.1）

表2.1 循環氣體的主要參數

焦炭基本數據（見表2.2）

表2.2 焦炭基本數據

紅焦溫度1050℃、循環氣體入口溫度150℃（見表2.3）

表2.3 京唐260t/h干熄爐的工藝參數

H2 O2 CO CO2裝入焦炭溫度預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存段直徑焦炭堆密度中心/環縫風量比焦炭平均粒徑%%%%℃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果及分析

針對干熄爐結構參數的分析計算，參數以表2.3的參數為基準，并假設焦炭粒度沿徑向均勻分布，在對某個參數分析時，假設其它參數不變。

冷卻段直徑也是干熄爐設計的一個重要參數，在干熄爐設計中，確定冷卻段直徑時一般使標準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確保布料的均勻性。

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