干熄焦循环气体热传递效率的计算及分析

生产与实践独立焦化干熄焦余热发电项目节能量计算与分析李火银，王振亚 ，周俊杰（郑州大学机械与动力工程学院，河南郑州　４５０００１）摘　要：独立焦化干熄焦余热发电项目，在纯凝状态下，烧损率按１％控制，干熄１ｔ焦炭可产生（９．８ＭＰａ、５４０℃）蒸汽４１０ｋｇ，发电１１４．８ｋＷ·ｈ，多回收焦炭粉尘量３０ｇ。

计算得知，项目节能收益为每吨１１．９４ｋｇｃｅ。

综合分析钢铁联合企业比独立焦化企业更适合干熄焦工艺。

关键词：干熄焦；余热发电；焦炭烧损；节能收益中图分类号：ＴＱ０５０．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－３４６７（２０２０）１０－００２９－０４ 目前，我国的焦炭生产主要分布在两类企业，一类是独立焦化企业，其生产能力占焦炭总生产能力的６０％以上；另一类是钢铁联合企业（或者钢铁企业的内部焦化厂），其生产能力占比不足４０％［１］。

现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序中，作为最后一道工序的产品处理工序，是将炉内炼好的红热焦炭推出并送进熄焦塔熄火降温，然后进行破碎、筛分、分级、获得不同粒度的焦炭产品。

红热焦炭的熄火降温可以采取两种方法：湿法熄焦和干法熄焦。

湿法熄焦（简称：湿熄焦）就是直接利用水浇洒在高温红焦上来熄火降温的一种方法，而干法熄焦（简称：干熄焦）是利用循环惰性气体为热载体，由循环风机将冷的惰性气体输入红焦冷却室冷却高温焦炭的方法。

鉴于国内独立焦化企业对干熄焦余热发电项目不甚了解，尤其对于节能量、焦炭烧损率、蒸汽量、发电量等参数的计算认识模糊、差别很大。

本论文根据干熄焦余热发电项目的实际数据，从显热利用及热平衡原理出发，对以上几个主要参数进行了系统计算。

１　湿法熄焦和干法熄焦工艺对比湿法熄焦属于传统的熄焦方法，其原理是对赤热的红焦直接喷水熄灭降温，特点是投资小、技术简单、操作容易。

干法熄焦是２０世纪末从海外引进的先进技术，其原理是利用惰性气体在密闭系统中将红焦熄灭降温，而且配备了良好的热回收和除尘设施，自动化水平较高。

本科毕业论文题目：干熄焦炉内固-气流动及传热数值模拟摘要干熄焦技术相对传统的熄焦工艺具有节能、环保和提高焦炭质量等优点，在国内外得到了广泛的应用，各大钢厂都非常重视对干熄焦技术的研究。

随着干熄焦技术的不断发展，传统的研究方法已不能满足新的工艺要求。

本文以某厂140t/h的干熄焦炉为研究对象，建立了干熄焦炉的三维几何模型，采用多孔介质理论建立了干熄焦炉内固-气流动及传热的数学模型。

基于FLUENT软件中的多孔介质模型，利用UDS和UDF将FLUENT中的单能量方程改写为双能量方程，模拟干熄焦炉内固-气流动及传热情况，为干熄焦炉提供设计提供依据。

在此模型基础上，通过改变气体入口温度和速度，观察气体出口和焦炭出口温度的变化情况，分别分析气体入口风温和入口风速对干熄焦生产工艺的影响。

研究发现，气体从底部进入干熄焦炉后在斜道和环形气体发生了偏流，越靠近气体出口，气体流速越大；气体压降主要发生在冷却室，气压在斜道和环形气道达到最低；在炉内同一位置，焦炭温度恒比气体温度高，冷却室周边的换热比中心区域更充分。

气体入口风温对干熄焦生产工艺影响不大，气体出口和焦炭出口温度随气体入口风速的增大显著降低。

关键词：干熄焦；多孔介质；FLUENT；数值模拟AbstractThe Coke Dry Quenching(CDQ) technology have more advantages in energy saving, environmental protection and improving the quality of and coke over the traditional coke quenching process. This technology has been widely used both at home and abroad. And the major steel mills attach great importance to the study of coke dry quenching technology. With the continuous development of dry quenching technology, traditional methods can not meet the requirements of new challenges.In this paper, a three-dimensional geometric model of a 140t/h coke dry quenching unit is established and a mathematical model for quenching flow and heat transfer between gas and coke is established by using the theory of porous media. Based on the porous medium model in FLUENT software, the user defined scalars(UDS) and user defined functions(UDF) are utilized to change single-energy equation into double-energy equations, in order to simulate the solid-gas flow and heat transfer in dry coke quenching ,which can provide a basis for CDQ design. On the basis of this model, different gas-inlet temperature and velocity are given for observing the changes in the gas-outlet and coke-outlet temperature, to analyze how gas-inlet temperature and velocity can affect the CDQ production process .The results show that gas in the chute and ring airway has the drift phenomenon, and the closer to the outlet, the faster the velocity is; the loss of gas pressure mainly occurred in the cooling chamber, the lowest gas pressure form in the chute and ring airway; the coke temperature is higher than the gas temperature in any same position of CDQ and the surrounding of the CDQ has a better heat transfer than the center of it. Gas-inlet temperature makes little different of coke dry quenching process, while the gas-inlet velocity makes much.Key words: CDQ；Porous medium；FLUENT；Numerical simulation目录1 绪论 (1)1.1 干熄焦技术 (1)1.2 干熄焦工艺流程 (1)1.3 干熄焦炉内固-气流动及传热的研究现状 (3)1.3.1 前苏联的研究 (3)1.3.2 日本的研究 (3)1.3.3 国内的研究 (4)1.4 课题研究的意义与内容 (4)1.4.1 课题研究的意义 (4)1.4.2 课题研究的内容 (5)2 研究方法-CFD (6)2.1 FLUENT软件介绍 (6)2.2 FLUENT软件的二次开发 (6)3 干熄焦炉内固-气流动及传热的数学模型 (10)3.1 几何模型 (10)3.2 基本假设 (10)3.3 数学模型 (11)3.4 边界条件 (12)4 模拟结果及分析 (13)4.1 结果分析 (13)4.1.1 干熄焦炉内速度场分析 (13)4.1.2 干熄焦炉内温度场分析 (14)4.1.3 干熄焦炉内压力场分析 (15)4.2 不同工艺参数对干熄焦生产的影响 (15)4.2.1 气体入口温度对干熄焦生产的影响 (15)4.2.2 气体入口速度对干熄焦生产的影响 (17)5 结论 (19)参考文献 (20)致谢 (1)1 绪论1.1 干熄焦技术干法熄焦简称“干熄焦”，是相对于用水熄灭炽热焦炭的湿法熄焦而言的，它是利用低温的惰性气体在干熄焦炉内与高温的焦炭换热从而使红焦冷却。

全国⼤赛题库⼲熄焦计算题计算题1、某管道的长度为100 m，安装时环境温度为20℃，⼯作状态下的温度为220℃，⼯作状态下其热伸长量(已知膨胀系数α=0.012mm/m℃)为多少？解：热伸长量=100×（220-20）×0.012=240mm答：（略）2、⽤⼀只标准压⼒表检定甲、⼄两只压⼒表时，读得标准表的指⽰值为100KPa，甲、⼄两表的读数各为101.0KPa和99.5KPa，求它们的绝对误差和修正值？解：由公式ΔX=X1-X2得：甲表的绝对误差：ΔX甲=101.0-100=1.0KPa修正值：C甲= -ΔX甲= - 1.0KPa⼄表的绝对误差: ΔX⼄=99.5-100= -0.5KPa修正值：C⼄= -ΔX⼄= 0.5Kpa答：（略）3、在220V中性点接地的电⽹中，发⽣单相触电时，通过⼈体的电流是否危急⼈体⽣命？（试按⼈体电阻为1000Ω计算）解：R0—中性接地电阻很⼩，可忽略不计。

I=U/R r+R0=220/1000=220mAI=220mA>>10mA⼯频交流安全电流，所以⼈体会触电。

答：（略）4、有⼀温度变送器，量程为400℃～600℃，输出为4～20mA ，当温度从500℃变化到550℃时，变送器输出应从多少变化到多少？解:温度为500℃时，变送器输出为：I O ＇=（20-4）×4400600400500+--=12（mA ）温度为550℃时，变送器输出为： I O 〞=（20-4）× 4400600400550+-- =16（mA ）答：（略）5、某⼚55孔6m 焦炉两座，其周转时间为19h ，单炉操作时间为9min 。

求其⼀个⼩循环内的检修时间(分钟)？解：检修时间：19×60 -（55×2×9）=150min答：（略）6、某⼚55孔6m 焦炉四座，每孔出焦21.5吨，配套两座140t/h 处理能⼒⼲熄焦装置。

干熄焦循环气体热传递效率的计算及分析摘要：通过对惰性气体在密闭空间循环换热的热效率的计算和分析来提高干熄焦产气率，根据所得数据结果最优化工艺参数指标，并提出改进措施。

关键词：干熄焦；余热锅炉；热效率；计算干法熄焦的运用在很大程度上提高了环境的保护，其产生的压力蒸汽用来发电也给企业带了效益，国家相关规定也明确指出干熄炉作为安全环保投入设施必须与焦炉同时施工作业，在生产规模和管理上也进一步规范化。

我临涣焦化现有2座75t/h处理能力的干熄焦装置，湿熄焦系统作为备用。

1#干熄炉与2009年3月投入使用，2#干熄炉与2010年4月份投产。

自投产以来干熄焦装置存在预存室压力波动大，焦炭烧损率偏高，产气率低等问题，因此本文通过对干熄焦风料比，红热焦炭热能的传递以及锅炉热效率等热工参数的研究，来实现每吨焦产气率的最大化，优化工艺操作。

1.惰性气体吸收红焦显热的热效率：（表1）名称质量温度比热红焦1t 1030℃ 1.465kj/kg.℃冷焦1t 160℃0.985kj/kg.℃焦粉0.1t 28893kj/kg高温循环烟气设定940℃ 1.2942kj/Nm3.℃低温循环烟气设定140℃ 1.2942kj/Nm3.℃我干熄焦目前最大的难点是如何提高热能的传递效率，减少热能损失以提高产气率，这里通过对焦炭放热和惰性气体吸收红焦显热的计算来研究论证得出合理的工艺参数供同行参考。

根据计算数据可以知道，我单位干熄焦装置的实际热传递效率只为76.5%低于同行的80%的平均效率。

根据数据分析发现，我干熄焦在循环风量进风挡板的开度不合理，周边进风和中央进风均为50%，这造成周边进风量多大，大量的气体不断往炉壁汇集，使气体在干熄炉冷却段上部形成一个空心的锥形体，使中央部位焦炭冷却效果下降，换热不充分。

另外，我干熄焦冷却段四点温度分布不均，最高点和最低点相差可达200度。

经过调整，把周边进风开度设定为60%，中央进风设定30%并在排出装置下锥斗处打入调节棒来控制焦炭均匀下降，现在热效率已基本控制在80%左右。

干熄焦烧损率的常见计算方法作者：肖艳波来源：《中外企业家·下半月》 2013年第7期肖艳波（太原钢铁不锈钢股份有限公司焦化厂，山西太原030003）摘要：笔者就国内通用烧损率的计算方法进行了对比和讨论，分析了各种方法适用的范围及存在的缺陷，并就影响烧损率的因素及计算方法提出了一些新的看法。

关键词：干熄焦；烧损率；计算方法对比；数据处理中图分类号：TU746 文献标志码：A 文章编号：1000-8772（2013）19-0-01一、干熄焦烧损率常见的几种计算方法对比（一）氧原子守恒法1.干熄炉系统干熄炉系统烧损主要因为空气的氧元素与干熄炉系统中的碳元素结合，所以可以依据氧元素的物料平衡建立关系式，则进入系统的氧＝外排出系统的氧。

干熄炉内存在以下主要反应：2C+O2＝2CO?C+O2＝CO2?2H2+O2＝2H2O。

故其数学表达式为：G空气×21% = G放散（O2+0.5CO+CO2+0.5H2O）。

与氧结合的碳元素即为系统烧损的焦炭碳元素：η烧损=G放散×（CO+CO2）×12/22.4式中的G空气为导入的空气量；G放散为风机后从系统外排出的烟气量；空气中的氧气含量为21%；O2、CO、CO2、H2O为循环气体中的百分含量；η烧损为焦炭的烧损率；每摩尔的碳质量为12；气体的摩尔体积为22.4。

干熄炉循环气体系统在一定的时间内系统保持在一个动态平衡状态，导入空气的量近似于风机后放散的气体量。

2.讨论（1）在安全范围内CO的含量越高越好。

当CO含量较大，进入干熄炉的过程中，可以抑制CO2与焦炭反应，减少焦炭的损失。

（2）气体分析仪数据的准确性，气体分析仪属于高精密仪器，安装一定要符合其安装标准及规格。

（3）装焦时大量空气进入炉内对焦炭的烧损加剧，也对计算影响较大。

因此，保证预存段负压的稳定很重要。

（二）能量守恒法1.干熄炉的热量守恒由能量守恒看，干熄炉系统循环气体从干熄炉带入锅炉的总热量包括红焦显热、挥发分显热、焦炭烧损热量。

干熄炉焦炭烧损率及锅炉热效率的计算【摘要】本文根据碳原子衡算方法计算了干熄焦装置的焦炭烧损率，并且依据化工热力学原理，应用普遍化三参数维里系数法、普遍化三参数压缩因子法给出了干熄焦锅炉的发汽效率和热损失的计算程序。

可以为降低焦炭烧损率及干熄焦焦炭的灰分，提高锅炉热效率，降低散热损失提供计算依据。

该方法还可方便的应用于其它装置的余热锅炉热效率的计算。

【关键词】焦炭烧损率；热效率；维里系数法；剩余焓0 引言干熄焦是采用惰性气体将红焦在无氧的环境下降温冷却的一种熄焦方法。

干熄焦相对于湿熄焦而言，具有回收红焦显热、减少环境污染、可改善焦炭质量等明显的优势。

干熄炉是干熄焦装置的热源，热量来源除红焦显热外，还有一部分是来源于焦炭的烧损，因此确定焦炭烧损率，降低焦炭的烧损，不仅可以降低焦炭的灰分，而且有利于干熄焦装置工艺操作的稳定性。

干熄焦锅炉是干熄焦装置的重要组成部分，是承接干熄炉循环系统和发电的中间环节，更是蒸汽的产生部位，因此提高锅炉的热效率，减小热损失是很有必要的。

1 工艺概述在干熄焦过程中，红焦从干熄炉的顶部装入，低温惰性气体由循环风机鼓入干熄炉冷却段红焦层内，冷却后的焦炭从干熄炉底部排除；吸收红焦潜热后温度升高的惰性循环气体从干熄炉环形烟道排出后，进入干熄焦余热锅炉进行换热，锅炉产生的蒸汽进入汽轮机带动发电机发电，从干熄焦余热锅炉冷却后的低温惰性气体进入循环风机重新鼓入干熄炉。

2 干熄炉焦炭烧损率计算程序2.1 计算依据干熄炉中烧损的焦炭最终产物是预存段调节阀放散的CO2和CO，而干熄炉做为一个整体的平衡系统，空气导入标准流量应该与预存段放散标准流量相同。

所以依据碳原子衡算的原则，应用正常生产时的空气导入标准流量以及循环气体中CO2和CO的体积分数就可以求出该排焦量下对应的焦炭烧损量，焦炭烧损量和排焦量的比值就是焦炭烧损率。

2.2 工艺数据焦化公司干熄焦装置正常运转时，干熄炉各工艺参数见表1。

2.3 焦炭烧损量的计算循环气体各个组分的临界参数见表2[4]。

热回收焦炉干熄焦装置传热过程的计算与模拟张超;邹力;韩艳娜;余江龙【摘要】对干熄焦装置在热回收焦炉中的传热过程进行了理论计算,结果表明,随着焦块粒度增加,熄焦时间延长.借助Aspen Plus软件中的换热模块对干熄炉内高温焦炭与循环气体的换热过程进行模拟,模拟结果与工业运行数据基本吻合.借助Aspen Plus软件中的灵敏度分析工具,研究了排焦量、循环气体量对锅炉入口温度的影响,结果表明,为防止锅炉入口温度过高烧损锅炉管、耐火材料,最简单的方法是减少排焦量、增加循环气体量.【期刊名称】《煤化工》【年(卷),期】2014(042)003【总页数】4页(P42-45)【关键词】热回收焦炉;干熄焦;Aspen Plus模拟;焦炭颗粒;锅炉入口温度【作者】张超;邹力;韩艳娜;余江龙【作者单位】辽宁科技大学先进煤焦化技术辽宁省重点实验室,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学工程技术有限公司,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学先进煤焦化技术辽宁省重点实验室,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学先进煤焦化技术辽宁省重点实验室,辽宁鞍山114051;沈阳航空航天大学热能工程研究所,辽宁沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TQ522.16引言热回收焦炉具有炼焦煤种适用广泛、污染物排放量少、可生产优质大块冶金焦和铸造焦等特点，此炼焦技术在美国、德国、印度、中国得到很好的发展和应用[1]。

目前，热回收焦炉生产的高温焦炭主要采用湿熄焦方式冷却，不仅污染环境，还浪费了大量红焦显热。

随着环境污染问题的加剧及节能减排要求的严格，具有环境污染小、可回收红焦显热发电、提高焦炭质量的干熄焦技术将在热回收焦炉上有广阔的应用前景[2]。

干熄焦技术的核心是干熄炉内焦炭的冷却过程，其本质是循环气体与焦炭组成的多孔床之间的强对流换热[3-4]。

高温焦炭在干熄炉内的换热效果决定了整个系统能否高效运行，也决定了干熄焦工艺的经济效益。

尤其是将干熄焦技术应用在配入大量无烟煤生产大块冶金焦炭的热回收焦炉上，更应注重对干熄炉内传热规律的研究。