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焦炉加热系统流量分配的数值仿真的探讨

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[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。

1.2.3 k-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·s)；Gb为由浮力产生的湍动能，kg/(m·s)；YM为在可压缩湍流中，过渡扩散产生的波动，kg/(m·s)；C1ε，C2ε，Cμ为常量，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09；σk，σε为湍流普朗克常量，σk=1.0，σε=1.3；C3ε=。

1.3 边界条件

小烟道和斜道区域的边界条件如表1所示。

1.4 数值求解

模型的数值求解运用CFX12求解器，对求解域的离散采用六面体结构化网格，网格总数约90万。该算法采用了全隐式的耦合求解，收敛更加稳定且速率更快。对流项、扩散项分别运用二阶精度迎风格式以及形状函数完成离散。离散所得代数方程组通过基于多重网格技术的矩阵分解算法进行求解。计算精度为相对误差小于10-4。

2 结果与讨论

笔者基于某焦化厂焦炉蓄热室的生产运行特点进行了模拟仿真。在实际生产中，焦炉煤气不通过蓄热室预热。因此，蓄热室流量分配计算的气体介质选用高炉煤气和空气。表2给出空气和高炉煤气的成分。表3是现场的生产运行情况。

2.1 小烟道区的数值模拟

为了能够更好地理解流量分配规律，笔者首先利用该数理模型对一组孔径相同且上下孔直径一致的支管流量分配进行了模拟，计算得出分流孔道的上下压力差分布(图3)。

计算结果显示，孔道上下相对压力差是内大外小。在实际生产中，焦炉蓄热室内侧温度也高于外侧，浮升力较大，导致上升气流中内侧流量偏大。同时，该压力差分布还会使蓄热室内的气流在上升流动的时候出现横向的窜流，不利于焦炉长度方向的加热均匀性。为改善蓄热室小烟道区域的气流分布，设计篦子砖时可采用不同类型的篦子砖。即在小烟道的外侧配置孔径下大上小的收缩型篦子砖，小烟道内侧配置孔径下小上大的扩散型篦子砖。

焦炉蓄热室篦子砖的结构尺寸[15]如表4和表5所示。可以看出，从机侧(焦侧)到蓄热室中心，仅第4段的篦子砖孔上下底面积比接近0.4，其他部位均小于0.4。同时，前4组篦子砖采用的是收缩型，而后3组篦子砖采用的是扩散型。

针对篦子砖的上述结构特点，计算得出篦子砖上下侧的压力差分布(图4)。可以看出，沿着小烟道长度方向，篦子砖上下压差逐渐增大。计算结果与实际生产中的压力分布趋势基本一致[15]。根据试验数据，当篦子砖孔上下底面积比小于0.4时，扩散型篦子砖的阻力系数比收缩型篦子砖的阻力系数约大30%；当篦子砖孔上下底面积比超过0.4时，扩散型篦子砖的阻力系数与收缩型篦子砖接近一致。

由此看来，在小烟道外侧设置阻力系数较小的收缩型篦子砖，而在小烟道内侧设置阻力系数较大的扩散型篦子砖，该种排布方式可以有效地平衡篦子砖内外侧较大的压力差，从而使篦子砖孔的静压接近一致，使气流分布趋于均匀。对比图3可以看出，采用改进后的篦子砖结构分布，小烟道长度方向的压力差更加均匀。焦侧蓄热室的计算结果与机侧蓄热室的计算结果基本一致，只是数值上压力差有所增大，因为焦侧蓄热室的气体流量大于机侧蓄热室。图5给出从机侧到焦侧每个篦子砖出口处的流量分布。

计算结果显示，相同规格的篦子砖出口处，沿着气体流动的方向，其流量呈逐渐增大的趋势。而流量变化大的位置则是因为篦子砖规格发生了变化。总体来看，从机侧到蓄热室中心，篦子砖流量逐渐增大。从流量分布图可以看出，每侧小烟道前4组篦子砖均为收缩型篦子砖。收缩型篦子砖可减小气体流动的阻力，使得每组篦子砖从前至后流量呈增大的趋势。同时，由于各组篦子砖的孔径均不同，所以每组篦子砖之间的流量都有明显变化，且总体呈上升趋势。第4组之后，篦子砖改为扩张型，增大了气体流动的局部阻力，流量图和压力图均出现明显变化。这种流量分配制度使得蓄热室中部流量较大，抑制了因蓄热室内部温度升高而使蓄热室内气体横向窜流。

由于机侧、焦侧篦子砖的结构具有对称性，其流量分布趋势亦有明显的对称性。因焦炉炭化室存在一定的锥度，焦侧炭化室较之机侧炭化室更宽，因此焦侧装煤量略大。在生产实际中，为保证机侧、焦侧炭化室长度方向的加热均匀性，焦侧蓄热室的气体流量较之机侧蓄热室应有所增大。

2.2 斜道区的数值模拟

斜道区位于蓄热室的顶部，其主要作用就是控制机侧到焦侧高炉煤气和空气的流量分配。与斜道相连接的是立火道，因此，斜道出口的大小将会决定进入每个立火道的气体流量，直接影响焦炉长度方向的加热均匀性。

斜道区同样采用各段不同的出口尺寸。与小烟道区不同的是，由于斜道出口较大且斜道较长，所以没有设计为扩散型出口。同时，小烟道区的气流入口在两侧，更不容易控制其流量的均匀分配，而斜道区的气流入口为蓄热室顶部，可以视为从下部供气。

为了保证对炭化室锥度的要求，必须为不同的立火道提供不同流量的煤气。图6给出计算的每个斜道出口处的流量分布(负号代表不同方向)。可以看出，从焦炉机侧到焦侧，斜道出口处的气体流量呈逐渐递增的趋势。受焦炉炭化室锥度的影响(炭化室从机侧到焦侧其宽度逐渐增大)，炭化室沿着长度方向的装煤量逐渐增加。同时，为了保证焦炉长度方向的加热均匀性，所以从机侧到焦侧的煤气和空气量也逐渐增加。此外，两侧炉头的流量较之中间火道有所增大。由于机侧、焦侧炉头火道的外侧表面直接暴露在空气中，导致其表面散热量较之中部火道有所偏大，为保证焦炉长度方向的加热均匀性，必须增加两侧炉头火道的气体流量，使炉头火道能够提供足够的热量。

3 结论

1)蓄热室小烟道区内侧采用扩散型篦子砖，外侧采用收缩型篦子砖，可以有效地提高压力分布的均匀性，使得蓄热室长度方向的气体流量分布更加均匀。

2)从机侧到蓄热室中部，篦子砖上下相对压力呈逐渐增大的趋势。相同规格条件下，靠近蓄热室中部的篦子砖出口流量偏大。

3)从机侧到焦侧蓄热室，斜道出口处的气体流量呈逐渐增加的趋势。鉴于两侧炉头因直接暴露在空气中散热量大，为保证焦炉长度方向的加热均匀性，两侧炉头的气体流量较之中部火道应有所增加。

参 考 文 献：

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[3]   陈鸿复，雷特霍夫，布雷麻昆布.焦炉燃烧室物理模型[J].北京科技大学学报，1982(3)：24.

[4]   Barr Peter V.A Heat-Transfer Model of the Tall Coke-Oven Flue[C]//Ironmaking Conference Proceedings.New York：Academic Press，1987：283.

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