过 程 工 程 学 报 The Chinese Journal of Process Engineering 第 5 卷第 期 05 年 月 Vol.5 No. Feb. 05 多管回转式煤调湿工艺模拟与分析 赵 凯 吴礼忠 宫晓然 胡长庆 师学峰 高建军 (. 河北联合大学冶金与能源学院 河北 唐山 063000. 钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室 北京 0008) CA w M w E w O.c 凯 am 模 eo CA.o E案 rg.c 例库 n 摘 要 基于 Fluent 软件 采用欧拉多相流模型 模拟回转管内烟气(焦炉烟气)与干燥器内煤粉的流场分布 湿度和 温度变化情况. 结果表明 烟气速度在入口处最大 为 9.65 m/s 在回转管内最小 为 3. m/s 烟气经转弯处汇集于 中心管 速度约为 6 7 m/s 靠近回转管的煤粉速度最大 远离回转管的煤粉速度最小 煤粉与水分离后 水分比例 减少 煤粉比例增加 脱水率约为 7% 由干燥器周边到中心煤粉密度减弱 烟气和煤粉均有温度梯度 烟气温度差 约为 65 K 煤粉温度差约为 3 K. 关键词 煤粉 欧拉多相流 回转管干燥器 湿度 温度 流场 中图分类号 TQ50 文献标识码 A 文章编号 009 606X(05)0 0050 05 前 言 的分布等及换热管内干燥介质的温度场分布对工艺的 煤调湿(Coal Moisture Control, CMC)是利用外加热 构 煤粉流动状况 气固换热过程等. 影响未进行理论分析. 调节煤粉湿度需综合考虑设备结 能将炼焦煤在焦炉外进行预干燥 以降低或调节入炉煤 本研究基于 Fluent 软件 采用欧拉多相流模型 对 的水分 控制炼焦能耗量 改善焦炉操作与提高焦炭质 多管回转式煤调湿干燥器进行了模拟 考察了烟气及煤 [] 量 扩大粘结性煤用量的炼焦技术. CMC 与传统煤干 粉在设备中的流场 温度场分布及气固间接换热情况 燥的区别在于不追求最大限度去除入炉煤水分 而只把 为反应器放大设计及改进后续工艺提供理论参考. 水分稳定在一定水平. 煤料含水量每降低 % 炼焦耗 热量减少 6 MJ/t(干煤) 采用煤调湿技术后 煤料水分 如从 0%下降至 6% 炼焦耗热量可节约 48 MJ/t(干煤) 折合 8.48 kg 标煤/t(干煤) [ 4] 干燥器模型. 干燥器的物理模型 干燥器直径 600 mm 长 3 000 mm 由内部回转管. 煤调湿技术最早由日本在 0 世纪 90 年代开发 主 [5] 和外部套管组成 内部装有两层按特定角度排列的 36 要在新日铁应用. 煤调湿历经三代变革 目前主流的 根通气回转管 回转管直径为 3 mm 与水平方向呈 煤调湿技术有蒸汽多管回转煤调湿(Steam Tube Dryer, 6.o 夹角安装 建立的干燥器几何模型如图 所示. STD)和气力分级流化床煤调湿(Fluidized Bed Dryer, FBD)技术[6 7]. 流化床法虽然是目前最新一代技术 但 Grid model 实际应用中对炼焦和煤气净化系统生产有不利影响[8] 应用受到限制. 蒸汽多管回转煤调湿技术具有运行稳 定 操作成本低廉及运行监护人员少等特点 是目前国 内外尤其在日本使用最多的技术[9]. 目前对煤粉的干燥过程研究较多 但主要集中在干 Rendering model 燥过程传热 且主要以 U 型管内的干燥过程模拟为主 煤种主要是水分较大的褐煤 干燥过程中气流与煤粉颗 粒直接接触[0 4] 而对多管回转式煤调湿这类干燥介质 与煤粉间接接触的工艺过程的模拟较少. 高建军等[4]考 察了山焦集团 t/h 的半工业化示范装置的烟气耗量 烟气温度 滚筒转速和煤粉初始湿度对煤调湿效果的影 响 但对回转管内煤粉的流动状况 如速度场 温度场 图 回转式煤调湿干燥器 Gambit 网格模型和渲染模型 Fig. The Gambit grid model and rendering model of rotary coal moisture control (CMC) dryer 收稿日期 04 0 6 修回日期 04 08 基金项目 河北省自然科学基金资助项目(编号 E04093) 作者简介 赵凯(98 ) 男 河北省唐山市人 博士 讲师 冶金工程专业 E-mail: herozk8@63.com.
第 期赵凯等 : 多管回转式煤调湿工艺模拟与分析 5 实际生产中干燥器的核心工作是使煤粉温度逐渐 升高 废气温度逐渐降低, 以控制煤粉含水量. 本研究 运用 Fluent 软件, 模拟回转管内烟气与干燥器内煤粉流 场分布 湿度和温度变化情况. 鉴于实际与模拟之间存 在误差, 因此在建立数学模型时作如下简化与假设 : 流体为不可压缩粘性流体 ; 不考虑传热过程中气体的相变 ; 所有管壁的壁面均无穿透.. 计算方法采用欧拉多相流模型对干燥器的工作状况进行模拟, 计算过程中需引入标准 k ε 双方程 能量方程... 标准 k ε 双方程标准 k ε 模型是典型的双方程模型, 是在单方程模型的基础上新引入一个关于湍流耗散率 ε 的方程. 采用标准 k ε 模型求解流动及换热问题. 标准 k ε 模型中,k [5] 和 ε 是两个基本未知量, 相应的输运方程为 ( ) ( ) ρk ρku μ k μ t x x x + + () ( ) ( u ) i t + = + + i j σ k j Gk Gb ρε YM Sk, ρε ρε μ ε μ t x x x i t + = + + i j σ ε j ε ε Cε ( Gk C3 εgb) C ερ Sε, k + + () k 式中,ρ 为密度 (kg/m 3 ), k 为湍动能 (m /s ), t 为时间 (s), u i 为 i 方向的速度分量 (m/s), x i, x j 为 x 在 i, j 方向的长度变量 (mm), μ 为动力粘度 (Pa s), μ t 为湍动粘度系数, G k 为平均速度梯度引起的湍动能产生项, G b 为浮力影响引起的湍动能产生项, ε 为湍流耗散能 (m /s ), Y M 为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响, S k 湍动能源项, S ε 为耗散 [6] 源项. 对于不可压流体,Y M =0, G b =0. 根据 Launder 等的推荐值及实验验证, 取 C ε =.44, C ε =.9, C 3ε =0.09, σ k =.0,σ ε =.3... 能量方程能量守恒定律是包含热交换的流动系统必须满足的基本定律. 流体的能量 E 通常是内能 i 动能 K=(u +v +w )/ 和势能 P 三项之和. 内能 i 与温度 T(K) 之间存在一定关系,i=c p T, 可得以温度 T 为变量的能量守恒方程 [7,8] : ( ρt) ( ρut) ( ρvt) ( ρwt) + + + = t x y z k T k T k T + + + S x c x y c y z c z p p p 式中,c p 为比热容 [J/(kg )] u, v, w 为流体速度的分量 (m/s), x y, z 为坐标方向, S T 为流体的内热源. T. (3).3 模拟条件和模型求解.3. 模拟条件入口设为速度入口, 出口设为自由出口, 壁面设为无滑移绝热壁面, 不考虑壁面散热. 干燥器入口处温度为焦炉废气温度..3. 模型求解采用 Gambit.3.6 软件对干燥器进行几何建模与网格划分, 内部回转管采用四面体划分网格, 外部套管采用六面体划分网格. 对控制方程进行离散求解, 离散采用二阶差分格式. 设置求解器时选择非定常流 欧拉多相流模型进行计算, 速度压力耦合选用 SIMPLE 算法. 连续性方程 动量方程和组分守恒方程收敛残差标准均为 0 3, 能量方程收敛残差标准为 0 6. 计算时间为 0 s, 时间步长 0 3 s..3.3 参数选择与模型验证煤粉进料量为 500 kg/h, 煤粉初始湿度为 %, 煤粉初始温度为 98 K 干燥器滚筒转速为 40 Hz, 烟气进入干燥器的温度为 53 K, 烟气流量为 000 m 3 /h, 煤粉 空气和水的密度与粘度分别为 700, 5, 000 kg/m 3 和.003, 0.08,.005 mpa s 3 结果与分析 3. 流场变化采用欧拉多相流模型, 在实际模拟中只需考虑烟气和煤粉在不同场中的分布状态 ( 烟气在通气回转管中流动, 煤粉在回转管与外部套管之间流动, 二者无直接接触 ), 将流场分为烟气流场和煤粉流场. 3.. 烟气流场分布图 为煤调湿 0 s 后即烟气加热湿煤粉过程达到稳定状态时烟气在煤调湿干燥器内的速度分布, 干燥器入口处烟气速度最大, 为 9.65 m/s[ 图 (a)], 可保证有足够的烟气进入干燥管 ; 回转管处烟气速度最小, 为 3. m/s[ 图 (c)], 可保证烟气有足够的停留时间与煤粉间接换热, 提高换热效率 ; 烟气进入中心管时速度为 6.43 m/s[ 图 (b)], 可保证烟气以最快速度离开干燥器. 由图可知, 烟气进入回转管速度减小, 但在回转管转弯处速度出现反弹 [ 图 (c)], 接近入口速度并趋于稳定, 约为 6 7 m/s. 这是因为回转管转弯处的阻力损失变小, 导致气体富集, 使速度增大. 因此设计回转管时可适当调整烟气进口与出口连接处的角度, 控制阻力损失, 降低气流在回转管内的流动速度, 延长停留时间, 强化煤粉与高温烟气的换热过程. 3.. 煤粉流场分布模拟中以回转管的转动代替外部滚筒的转动 ( 实际
5 过程工程学报第 5 卷 x (a) Flange section (b) Near the entrance (c) Dryer profile 图 烟气在回转管中的流场 Fig. Flow fields of exhaust gas in the rotary tube (a) s (b) 5 s (c) 0 s (d) 0 s 生产中回转管保持静止, 外部套管转动 ). 煤粉随回转管滚动搅拌而转动, 与通入的焦炉烟气充分接触, 调节湿度. 图 3 分别为 CMC 过程中不同时间煤粉在干燥器中的分布. 由图 3(a) 可知, 此时由于刚通入煤粉, 只在干燥器入口约 m 处有混合流体 ( 颜色最深部分 ); 从图 3(b) 和 3(c) 可以看出, 随搅拌与煤调湿过程持续, 混合流体填充面积进一步扩大 ; 从图 3(d) 可知, 混合流体在煤调湿中呈稳态分布, 靠近回转管的煤粉速度最大, 远离回转管的煤粉速度最小. 因此在实际操作过程中应合理控制回转管转速, 调整煤粉给料速度, 保证管内煤粉合理的填充率. 3. 煤粉湿度变化实际生产中, 煤粉持续不断输送到干燥器中, 可将煤粉视为流体. 模拟中考虑激活重力的作用, 煤粉与水分离, 排出被分离的水, 煤粉比例增大. 入口及出口煤粉与水分比例见表. 图 3 煤粉调湿过程中不同时刻流场的变化 Fig.3 Flow fields of pulverized coal in CMC at different moments 表 入口与出口煤粉与水分比例 (%, ω) Table Mass fraction of pulverized coal and water at inlet and outlet (%, ω) Position Pulverized coal Water Inlet 85 86 87 88 5 4 3 Outlet 9 93 95 95 8 7 6 5 煤粉含水量直接影响焦化能耗, 进入炼焦炉前, 一般要将煤粉脱水至含水约 6%. 调湿前的煤粉湿度较大, 不适合炼焦, 焦化需耗费较多燃料. 调湿能显著降低煤 粉湿度, 达到炼焦要求的含水量, 从而降低能耗. 3.3 煤粉分布图 4 为煤粉在干燥器中的分布情况. 在回转管的旋转作用下, 煤粉在干燥器中的分布产生密度梯度, 由周边到中心减弱. 周边红色部分 ( 调湿完成, 将排出干燥器 ) 煤粉密度最高, 中心蓝色部分 ( 开始调湿 ) 煤粉密度最低. 图 4 煤粉在干燥器中的分布 Fig.4 Distribution of pulverized coal in the dryer 3.4 温度变化干燥器中的煤粉与回转管中的烟气间接换热, 使煤粉温度升高, 水分蒸发, 烟气与煤粉温度均发生变化, 烟气温度降低, 煤粉温度升高. 3.4. 烟气温度变化模拟的回转管的直径为 3 mm, 模拟气体温度在回转管内的变化时, 将回转管一分为二, 以节省计算时间. z y
Temp eratureofpulverizedco 607080 0050 030Location( 4050 m) 第 期赵凯等 : 多管回转式煤调湿工艺模拟与分析 53 图 5 为沿回转管直径方向气体温度的计算结果, 气 体温度在回转管中心 (6 mm 处 ) 最高, 为 53 K( 接近通 入的烟气温度 ); 在干燥管的内壁面 ( mm 处 ) 达到最低 值, 约为 448 K. 烟气温度在干燥管内沿直径方向逐渐 降低, 原因是管中心只有烟气的辐射传热, 管壁面处除有辐射传热, 还有管壁与煤粉的接触换热, 故相同时间内散失的热量比管中心多. 因此, 干燥器设计应考虑采用能强化辐射传热的结构或管壁材料. Smoke temperature in drying tube (K) 图 5 烟气温度沿回转干燥管直径分布的计算结果 Fig.5 Calculated smoke temperature along rotary drying tube 3.4. 煤粉温度变化干燥器直径为 600 mm, 模拟位置取两层回转管之间, 将干燥器一分为二. 图 6 为回转管附近换热稳定后煤粉温度的计算结果. 靠近回转管壁面 (0 mm 处 ) 煤粉温度最高, 为 358 K, 远离回转管处 (70 mm) 煤粉温度最低, 为 37 K. 远离回转管壁面时煤粉温度逐渐降低, 原因是回转管与直接接触的煤粉接触换热, 而距离相对较远的煤粉只能靠热辐射得到热量, 比接触换热量小很多, 故产生温度梯度. Temperature of pulverized coal (K) 50 50 500 490 480 470 460 450 360 350 340 330 30 0 4 6 8 0 4 6 Location (mm) 0 0 0 30 40 50 60 70 Location (mm) 图 6 煤粉温度的计算结果 Fig.6 Calculated results of pulverized coal temperature 基于上述计算结果, 设计回转管时应适当调整烟气进口与出口连接处的角度, 控制阻力损失变化, 降低气 流在回转管内的流动速度, 延长停留时间, 强化煤粉与高温烟气的换热过程 ; 并保证干燥器煤粉合适的填充率和转速, 采用传热性能好的管壁材料. 4 结论 基于 Fluent 软件, 采用欧拉多相流模型, 对烟气与煤粉在干燥器内的流场分布 湿度 密度和温度变化进行模拟, 得出如下结论 : () 烟气速度在入口处最大, 为 9.65 m/s, 在回转管内最小, 为 3. m/s; 回转管内气体经转弯处汇集于中心管, 速度出现反弹, 约为 6 7 m/s;0 s 后, 混合流体呈稳态分布, 靠近回转管处煤粉速度最大, 距离回转管越远速度越小. () 煤粉与水分离后, 水比例减少, 煤粉比例变大. 采用多管回转式煤调湿工艺可脱除 7% 水分. (3) 由干燥器周边到中心, 煤粉密度减弱, 干燥器器壁处密度最大. (4) 烟气和煤粉均有温度梯度, 烟气温度差约为 65 K, 煤粉温度差约为 3 K. 参考文献 : [] 窦岩, 马耀宏, 詹仲福, 等. 焦化行业煤调湿技术 (CMC) 的应用 [J]. 化工机械, 0, 39(): 7. [] 赵爱华. 煤调湿技术在炼焦生产中的应用 [J]. 洁净煤技术, 03, 9(): 66 73. [3] 郑文华, 史正岩. 焦化企业的主要节能减排措施 [J]. 山东冶金, 008, 30(6): 7. [4] 高建军, 郭玉华, 徐洪军, 等. 多管回转式煤调湿工艺的工业化试验 [J]. 钢铁, 0, 47(): 85 88. [5] 郭玉华, 师学峰, 高建军, 等. 多管回转式煤调湿工艺速度场模拟与试验研究 [J]. 燃料与化工, 0, 43(): 5 9. [6] 严文福, 郑明东. 焦炉加热调节与节能 [M]. 合肥 : 合肥工业大学出版杜,005. 3 35. [7] 杨庆彬. 京唐焦化采用煤调湿技术的可行性分析 [J]. 燃料与化工, 007, 38(4): 7 8. [8] 黄智斌. 焦化第三代煤调湿技术及其应用 [J]. 冶金能源, 00, 7(): 3. [9] 王国. 节能降耗技术在焦化工艺中的应用 [J]. 本钢技术, 007, (4): 8 30. [0] 谭绍栋, 施沛润. 煤调湿技术在柳钢应用的思考 [J]. 柳钢科技, 009, 37(): 4. [] 王洪兴. 装炉煤干燥脱水技术在太钢焦化厂的应用 [J]. 煤质技术, 00, 5(5): 5 7. [] 文相浩, 刘海东, 王洪博. 煤调湿应用于煤处理工艺的探讨 [J]. 燃料与化工, 00, 4(5): 3. [3] 张国庆, 张琼芳, 刘勇刚. 焦炉烟道废气流化床式煤调湿技术的应用 [J]. 燃料与化工, 00, 4(6): 9. [4] 马希博, 龙晓阳. 鞍钢备煤炼焦技术的进步及展望 [J]. 鞍钢技术, 006, 5(): 6. [5] 刘淑萍, 李艳芳, 吕文科, 等. 炼焦煤风选调湿新工艺 [J]. 燃料与化工, 009, 40(3): 0 3. [6] 张雨. 炼焦煤气固流化 - 移动床调湿分级工艺研究 [D]. 大连 : 大连理工大学,008. 0.
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