超大型焦爐先進技術研究

田海江(中鋼集團工程設計研究院有限公司大連焦化分院，遼寧 大連 116000)

0 引言

鋼鐵工業是世界上最耗能的制造業。因此，它們相關的二氧化碳排放量約占人為二氧化碳排放總量的5%～7%。考慮到鋼鐵產量預計在未來幾十年內將會增加，能源消耗和二氧化碳排放量的顯著增加預計也將跟隨。自20世紀60年代以來，鋼鐵工業一直致力于可持續發展，在一些國家(如法國) ，每生產1 t鋼，這些工業已經分別減少了60%和50%的二氧化碳排放量和能源消耗量。然而，鋼鐵工業的制造工藝已經達到了高效率的水平，并且在碳使用量方面非常接近其物理極限[1]。能源和溫室氣體(GHG)排放問題使人們有必要尋找替代方法，以提高鋼鐵廠的能源效率，減少(如果可能的話)二氧化碳的排放。在鋼鐵工業中，與這種關切有關的一個有趣的舉措是COURSE50(“創新技術用于冷卻地球50煉鋼過程中的二氧化碳最終減少”)計劃。日本目前正在開發這一方案，以尋找高爐和焦爐氣的替代用途，從而減少二氧化碳排放量，提高日本鋼鐵工業的能源效率。

在鋼鐵工業中，焦爐煤氣(COG)是提高能源效率和減少溫室氣體排放的一個熱點。焦爐煤氣是焦炭碳化的副產品，焦炭碳化是在焦化過程中共同生成的。盡管高爐焦炭消耗量(因此煤氣生產量)有所下降，但在過去幾十年中，高爐不能沒有焦炭運行，這意味著煤氣將繼續大量生產。

焦爐煤氣離開焦爐后成分非常復雜。首先，氣體冷卻分離焦油，然后進行不同的洗滌過程，以消除NH3、H2S和BTX。經過這些調質階段后，冷COG與其他碳氫化合物以小比例共同組成：H2(約55%～60%)、 CH4(約23%～27%)、 CO (約5%～8%)、 N2(約3%～6%)、 CO2(小于2%)。目前焦爐生產的焦炭中有20%～40%通常用作焦爐的燃料。余下的焦爐煤氣一般用于鋼鐵廠的替代工藝，但目前大多數剩余煤氣用火把燒掉，有時甚至直接排放到空氣中。這些變化是由于煉鋼過程的高度動態性造成的。

1 焦化與燃燒耦合燃燒室內傳輸現象的三維模型

1.1 物理模型

所述的燃燒室包括系列煙道和焦化室，在焦爐的上部平行交替設置。空氣和高爐煤氣或焦爐煤氣被供應到燃燒室的煙道中并燃燒掉。高溫煙氣沿煙道上升，經轉向口下降。在燃燒室的底部，一些煙氣通過循環口與新鮮氣體混合再循環，另一些則直接從燃燒室中流出。高溫煙氣(1 400～1 600 ℃)通過輻射和對流將熱量傳遞到燃燒室和焦化室之間的內壁。然后通過墻壁傳熱到焦化室，在那里，從空氣中分離出來的煤被逐漸加熱，直到與碳焦分層。

本文中的三維模型由燃燒室中的一對煙道和兩個1/2焦化室組成，如圖1所示。與傳統的焦爐不同，大容量焦爐經常沿爐膛高度分級燃燒，以保證焦床溫度的均勻性。高爐煤氣和空氣分級燃燒的通道在煙道之間的壁面上平行設置，如圖1 (b)的燃燒室所示。

圖1 焦化與燃燒室耦合的物理模型

1.2 瞬態數學方程

在焦化控制方程的設計過程中，簡單介紹了數學模型，提出了以下假設：(1)焦化室與中平面對稱；(2)考慮了水分蒸發、揮發物釋放和與煤熱解相關的化學反應的影響，采用與溫度相關的有效熱物理參數，如：有效熱導率、有效比熱和有效容重；(3)忽略了焦化爐內原煤氣的產生和流動。為了進一步提高模擬的精度和效率，通過采用絕熱邊界條件，預先對燃燒室的速度場、溫度場和濃度場分別進行了模擬。然后輸入結果作為燃燒室的初始條件進行下面的雙室耦合模擬。最后，通過引入等效比熱，考慮了化學反應熱和汽化潛熱。等效比熱反映了化學反應潛熱和蒸發潛熱隨溫度的變化。根據實驗，將蒸發分為三個階段：濕凝結期T0～T1(20～70 ℃)，恒速干燥期T1～T2(70～150 ℃)，減速干燥期T2～T3(150～300 ℃)。利用CFX計算流體力學軟件對上述模型進行了數值求解。采用六面體結構網格對計算區域進行離散化。研究了網格的獨立性，并將網格數設置為90萬個。建立了完全隱式耦合求解器，將流體動力學方程(u，v，w，p)作為一個單系統求解。控制方程的離散采用擴散項的形狀函數和平流項的二階迎風差分格式。代數方程組用矩陣分解算法求解。迭代的殘差小于10-4。初始時間步長被設置為0.001 s，然后隨著計算的進展而增加。

2 結果和討論

結果表明，當焦床中心溫度達到1 000 ℃時，焦化完井所需時間為21 h，在實際生產中約為22 h。計算結果表明，預測值與實測值吻合較好，相對誤差為4.54%。與6 m高焦爐相比，大容量焦爐裝煤量較大，延長了焦化完井時間。對于內壁，在相當早的階段，由于內壁初期向低溫煤輸出的熱量大于它從煙氣中吸收的熱量，因此內壁溫度不升高，而是在焦炭一側下降。大約2 h后，溫度開始升高。對于煤層/焦炭層，溫度一直在升高。然而，當水分停止蒸發時，焦炭床層的局部溫度并沒有明顯上升。

從中心平面的溫度分布可以看出，沿高度方向的最大溫差為36 ℃，而傳統的不分級燃燒的焦爐的最大溫差約為55 ℃。即使大容量焦爐的床層高度較高，由于采用分級燃燒，也可以提高焦炭床層的溫度均勻性。燃燒室的速度、溫度和濃度分布。煙氣、燃氣和空氣的流向在一個周期內可忽略不計，燃燒室的輸運現象是準穩態的。此外，在燃燒過程中，NO的數量隨著時間的增加而增加。隨著焦化過程的進行，燃燒室和焦化室之間的溫差減小，燃燒室的熱損失也隨之減小，因此，隨著燃燒室溫度的升高，NO的產生也會增加。

進行優化分級燃燒之后，對7 m高大容量焦化爐分級燃燒的不同情況進行了數值模擬，并與傳統的6 m高無分級燃燒焦化爐進行了比較。分析表明，只改變燃氣進氣口數目，而固定進氣口數目為三個。大容量焦化爐在不分級燃燒的情況下，最大溫差可達89 ℃，遠遠高于傳統焦化爐，甚至達到焦炭質量通常要求的50 ℃。采用分級燃燒，如兩段分級燃燒，溫度均勻性可提高到52 ℃的可接受水平。三級燃燒的最大溫差降至36 ℃。分級輸入降低了局部氣體濃度，使火焰前沿溫度下降，從而減少了NO的生成。合理的高爐煤氣/空氣輸入質量流量分布對焦爐分級燃燒至關重要，因為它影響焦炭床層溫度均勻性和尾氣中NO的濃度。在一定程度上，降低底部進口的質量流量而提高上部進口的質量流量有利于提高溫度均勻性和降低NO濃度。對于三段分級燃燒，當上下部質量流量比大于2/7時，焦炭床層最終溫差小于40 ℃。

3 結語

綜上，近年來利用COG剩余資源的替代技術由于可以獲得環境效益、能源效益和經濟效益而備受關注。氫氣分離已經成為利用COG盈余的一種研究最多的替代方案。此外，其中一些技術，如變壓吸附和膜分離已經在其他工業過程中使用，因此將它們植入焦化廠不會帶來任何特殊困難。然而，從COG盈余中回收H2有一個需要克服的重要缺陷。有了這些技術，其他氣體，特別是那些含有碳的氣體，如：甲烷、二氧化碳、二氧化碳和輕質碳氫化合物就沒有優勢了。因此，H2分離需要與其他技術相結合，以便利用COG剩余的所有組成部分。