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1、综述 工业加热!“#年第$期干熄炉内流动和传热过程数学模型的研究现状及其发展趋势孔宁!，温治!，冯俊小!，王琴!，王德!夏红波“，程乐意“，王伟民“，沈元林“，张永庆“（!#北京科技大学，北京!$%4.!，6-12 ?34!，6-12 A!BCD- E45.F“，GE71 HA.I3“，6-12 6A3.J34“，KE71 L;=4.M34“，8E-12 L45.N345“（!# O43PAQR3SI T KU3A4UA =4V (AU94M5I WA3X345，WA3X345 !$%JJ=Q3AR S9A QARA=QU9 RS=S;R =4V VAPAMJA4S T J=S9AJ=S3U=
2、M JVAM TQ TM;3V TM345 =4V 9A=SSQ=4RTAQQ345 QUARR 34 G? ;43S VJARS3U=MMI =4V =FQ=V# (9A J=S9AJ=S3U=M JVAM F=RAV 4 S9A RS;VI 4 Q;R JAV3;JU=4 U4R3VAQ=FMA PAQ3MI QAPA=M S9A M= T 5=R TM345 =4V 9A=S AM3VB93U9 3R S9A F=R3R TS3J;J VAR354 =4V U4SQM T G? ;43S#：UA VQI N;A4U9345Y TM;3V TM =4V 9A=S SQ=4RTAQY J=S
3、9AJ=S3U=M JVAMY Q;R JAV3;JY S3J;J U4SQM!前言干法熄焦_GA QI ?;A4U9345， 简称G?是目前国内外最为先进的熄焦技术， 它是利用冷的隋性气体在干熄炉中和炽热的红焦换热从而冷却红焦。! $a! $/$ b的炽热红焦由装料装置从炉顶装入干熄炉的预存段B并且自上而下运动； 惰性气体由干熄炉底的中心风帽和周边环缝鼓入， 且自下而上运动。二者在逆向运动中， 焦炭逐渐被冷却到“/$ b以下， 然后由炉底的卸料装置排出； 同时， 惰性气体_或废烟气被加热到%$b左右，从干熄炉斜道口经过一次除尘器进入锅炉； 加热水产生高压蒸汽后，循环气体被冷却到“$ b左右，
4、再经二次除尘由循环风机重新送入干熄炉循环使用c!d。与湿法熄焦相比其具有节能、 环保以及提高焦炭质量等突出优点， 其工艺流程见图!。“干熄炉内流动和传热过程数学模型的研究现状干法熄焦的过程主要是焦炭在干熄炉内的冷却过程。因此， 干法熄焦工艺的核心就是干熄炉内循环气体流动、 焦炭下降运动和循环气体与焦炭之间热交换的规律。显然， 它们是干熄焦装置系列化和大型化要解决的关键问题。早期的干熄炉设计， 一般采用实验确定的经验关系式计算气体压降和熄焦时间c“d， 进而确定干熄炉的尺寸，前苏联所做工作最具代表性。计算干熄炉内的流体阻力时， 前苏联国立焦化设计院采用布鲁克e盖鲁曼公式或雅瓦良柯公式c!d。前者
5、可表述为! !Hf/#“$#g/;!#/#RT!g/$T %为平均温度下气体的=QUI速度，JiR；#RT为床层的比表面积，J“iJ.?6（A3为焦炭对气体的辐射传热系数，73. 5)0/；8*-为焦炭对气体的对流传热系数，73. 5)0/；A为标准状况下气体的DE;%F速度，53*；:B为焦块之间空间的水利直径，:$/计算!“#!$（%) =%L.J/8HK$M7AA+=LA+N :,O.N/式中：8HK为当块体导热性为无穷大时的传热系数，73.560/；M为匀称系数，一般来说对焦炭M为“A；7A为在末装焦炭时循环气体的流速，53*；:,为焦块的平均直径，5；O为焦末含量系数，O$A+A?；
6、;为焦块半径，5；%L为焦块平均导热系数，73. 50/。公式.)/P.N/是由IQEBH根据R;SE*在)AP“ “AA0、加热和冷却平均粒径为722:4*$;5#/72+(是下标， 分别表示进口和出口。在该模型中， 假定焦炭床为等径球体， 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。新日铁株式会社的D$3(等)E-分析了,E 3BF干熄焦工业试验装置的运行数据发现：89:干熄炉内焦炭的径向温度分布， 中心温度高， 壁面处温度低， 即使改变鼓风的分配比例8环缝供风量B中心供风量:也得不到改善；85:干熄炉内焦炭的粒度分布不均， 中心部位焦炭颗粒细， 壁面处颗粒粗；8:横截面气流速度
7、分布不均， 壁面处风速高， 中心风速小， 明显存在“ 沟流” 现象；8*:焦炭下降速度沿径向几乎均匀， 下降速度最大处不在中心和壁面处， 而是出现在中间部分。D$3(等认为焦炭装料形成的粒度不均匀造成干熄炉内焦炭冷却不均匀，即粒度的偏析是造成传热偏析的主要原因，显然这是干熄焦装置大型化的主要问题之一。为此，D$3(等人在9G9的模型上进行了粒度分布的实验研究， 为了提高布料的均匀性， 实验中借鉴了高炉的成功经验， 采用钟型布料器布料， 发现焦炭粒度的均匀性得到了明显的改善。此外，干熄炉大型化设计中的另一个问题是在满足干熄焦生产能力的条件下，如何降低投资和减少运行成本， 即冷却段尺寸和气焦比的优
8、化问题。显然， 采用传统的经验关联式和一维传热模型无法评价粒度偏析对熄焦过程的影响和进行优化设计，D$3(等)!，H-利用多孔介质理论，又建立了干熄炉内流动和传热的二维模型， 并成功地应用到干熄炉的大型化设计中， 其数学模型的表达式为 %I36 #.9!“74有了!“#上的平均参量，从而能借助偏微分方程来描述多孔介质中的流动、 传热和传质等现象。当然，这也不可避免地需要引入一些宏观介质参数，这些参数必须由实验确定。在传统流体力学中，根据动量定理可以导出粘性流体的运动方程， 即?+.-%,*2A%(方程。对于流体在多孔介质中的流动，由于流动的孔道复杂、比表面积大、 粘性作用明显而又复杂， 很难象
9、传统粘性流体力学那样去导出运动方程，因此其运动规律是通过实验总结出来的。多孔介质的早期研究就是在末经修正的B+C1实验定律的基础上进行的。B+C1定律表明， 容积平均流速与压力梯度成线性关系。推广的B+C1定律的矢量式为#$ D#$64式中# 为容积平均流速， 也称为B+C1流速； 为对!“#容积平均； !为对!“#内流体进行相平均。但是B+C1定律有很大的局限性，它忽略了界面效应和惯性效应对流动和传热的影响，只适合于低流速、 低孔隙率及非多组分的情况， 不适合高流速和无滑移的边界条件。E224K-)A0+)从固体界面速度无滑移的基本论点出发， 将*2A%(穿透流与B+C1流相结合， 并引用悬
10、浮颗粒的有效粘度$L的概念得到#$ D#I$L#$M4但是上述两个模型都缺乏严密的分析， 并且也末能同时考虑界面效应和惯性效应。#+9+-和N-%)568以及O(3和PH%)F56M8在把饱和多孔介质看成是连续介质的基础上， 应用容积平均理论， 并利用K-)A0+)和“,F3)等人关于压降和速度的半经验关联式， 导出了同时考虑界面效应和惯性效应的动量方程。 现在广泛使用的B+C1,K-)A0+),G2CHH%-0%流动模型可以表示为：%9!# !*$# # Q#（K S“#$,%!#N994IH(“(9$N(QN994$Y4对固体(#$,%!#N(4IH(9“(9$N99QN(4$=4式中ZN
11、99为流体的相平均温度； N(为固体的相平均温度。国内王补宣56U8等人在研究填充床内的强制对流换热时， 为了进行比较分别采用了局域热平衡模型和非局域热平衡模型。 通过实验发现局域热平衡模型在很多情况下是不够准确的， 尤其是在固体和流体的温度相差比R综述 工业加热!“#年第$期较大的情况下，固体和冷却流体之间的温差是很关键的。因此， 必须采用非局域热平衡法， 所采用的非局域热平衡模型为对流体!（!“#$!% !%)D%考虑焦炭内部导热、 气体导热及热弥散的非局域热平衡能量方程 %)!L!(#!+!%#!+!%+!%理想气体的状态方程!Q!#!3)R+!%)C/%利用该数学模型对某钢厂D S3$
12、干熄炉内流动与气固换热进行了数值模拟。结果表明： 虽然气体速度场比较均匀， 但是气体的质量流率沿径向的分布是不均匀的。 在冷却段， 靠近壁面处气体质量流率明显偏高。 也就是说即使在焦炭粒度均匀的情况下， 沿半径方向气流的分布也是不均匀的， 从而半径方向温度分布也是不均匀的。因此， 该模型可以清楚地反映出干熄炉内的偏析现象。C干熄炉内流动和传热过程数学模型的主要功能及作用在数值模拟被引入干熄炉热过程研究以前， 干熄炉工艺的研究主要依靠实验研究和现场观测， 在很大程度上要依靠长期积累的经验， 这些方法至今仍具有重要的实用意义。 但随着干熄炉技术的发展以及激烈的市场竞争对工艺要求的不断提高， 传统的
13、研究方法已不能适应D综述 工业加热!“#年第$期新形势发展的需要。利用数值模拟方法已经成为今后干熄炉过程研究的重要手段之一。干熄炉过程数学模拟是基于计算流体动力学、 计算传热学和计算燃烧学的原理，用数值方法通过计算机直接求解非线性联立的质量、 动量、 能量及组分守恒偏微分方程组， 通过数学分析， 可以预报出流动、 传热及燃烧过程的细节，即给出整个流场中各变量的时空分布， 进而分析干熄焦过程的速率和效果。因此， 这样的数学模拟是工程装置优化、仿真设计和实现过程最佳控制的有力工具， 并且将得到进一步的发展和完善。干熄炉传输过程数值仿真的主要作用体现在对现有工艺可以提高对干法熄焦过程的基本现象、 反
14、应机理、 控制性环节的认识， 为改善工艺过程和操作提供依据； 探索工艺过程各参数的变化规律及它们之间的定量关系， 以优化工艺和实现对工艺过程的自动化控制； 指导中间厂和现场实物试验的设计和规划， 以节省开支。对正在设计和开发新工艺或新装置可以对设计方案的可行性和灵活性作出准确估计； 对规划和设计实验室、 中间厂或实物规模的实验提供指导；帮助估计中间厂或实物试验结果和作比例放大； 在一定条件下， 可替代中间厂或现场实物的开发性实验， 以节省投资等。!结论“#$干熄炉内流动和传热过程的研究由过去的依靠实验室研究和现场观测发展成为用数学模拟的方法，可以得到整个流场中各变量的时空分布，进而分析干熄焦过
15、程的速率和效果；“%$ 4?A=B C :?4?D9 B,5!“E051FG/- HII(+(,-+G =JK/L,J,-5 /I MDN C3)5, /I 5*, A3K3- 0/+(,5G /I8,+*3-(+3R H-2(-,) K35 M#SS!，%S#TO%S%#E4?:? U B=0 U=8;9 8,5!“E 9KKR(+3O5(/- /I :,+*-(V1,) I/ W3+.,F X,F 9-3RG)() 5/ 051F(,)/- 5*, M/-)51+5(/- /I Y32, M/., DG N1,-+*(-2WR3-5)P;QEB(KK/- 05,R :,+*-(+3R ;,K/5#SZ%ES!O#7EU9:9YU9 0 ?:0U9 A490U?M,5!“E H)53XOR()*J,-5/IM/.,DGN1,-+*(-2(5*3M/.,:*/12*K15 /I %5* PMQE W/+E T5* =-5E=/- 05,RM/-2,) #SSE66_O677E4:?EU B=0U=8;9E8,5!“E!干式消火设备大型化研究充填层解析技术应用PAQE制铁研究E#SZ%E66O7%E张志军E多孔介质强化板式换热器性能的基础研究PDQE北京： 清华大学，#SSSE贝尔AE多孔介质流体动力学P8QE李竞生， 陈崇希， 译
