龐克亮，劉福軍，王超，武吉，蔡秋野

（1.鞍鋼集團北京研究院有限公司，北京 102211；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2019年中國焦炭產(chǎn)量為4.71億t，同比增長5.2%，約占世界焦炭總產(chǎn)量的70%。目前，雙聯(lián)式火道焦?fàn)t是生產(chǎn)焦炭的主要設(shè)備，它由炭化室和燃燒室依次相間組成，燃燒室內(nèi)燃料燃燒特性直接決定焦炭的均勻成熟度。之前，燃燒室內(nèi)部燃燒特性僅通過一個參數(shù)指標(biāo)即鼻梁磚溫度來體現(xiàn)，操作人員不能掌握內(nèi)部具體的燃燒狀態(tài)。但隨著計算機技術(shù)和數(shù)值求解方法的快速發(fā)展，借助于數(shù)值模擬分析手段，焦?fàn)t燃燒室的燃燒特性越來越清晰化的展現(xiàn)在操作者面前。20世紀(jì)20年代開始，焦?fàn)t傳熱過程的數(shù)學(xué)模型就已經(jīng)被提出并延用至今。焦?fàn)t應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)主要通過數(shù)值計算和圖像顯示方法將焦?fàn)t內(nèi)部實際狀態(tài)以 “可視化”的形式展現(xiàn)出來，明晰炭化室內(nèi)部的成層結(jié)焦過程和燃燒室內(nèi)部的氣體燃燒特性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬在焦?fàn)t上的應(yīng)用已取得了很大進步。

1 數(shù)值模擬在燃燒室降氮技術(shù)中的應(yīng)用

根據(jù)2019年生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中的規(guī)定，焦?fàn)t煙氣中氮氧化物的限值為150 mg/m（基準(zhǔn)含氧量8%）。同時，隨著國家環(huán)保力度的加大，對焦?fàn)t中氮氧化物的排放控制也日益嚴(yán)格。

鐘英飛對焦?fàn)t燃燒過程中氮氧化物的形成機理進行了總結(jié)，主要分為溫度熱力型NO、碳氫燃料快速型NO和含N組分燃料型NO三種類型。其中，溫度熱力型NO是焦?fàn)t氮氧化物的主要來源。顯然，上述結(jié)論對后續(xù)數(shù)值模擬在降低氮氧化物排放方面具有重大影響?，F(xiàn)階段，為削減煙氣中氮氧化物的排放，國內(nèi)焦?fàn)t燃燒室在設(shè)計方面采取的降氮技術(shù)主要有廢氣循環(huán)技術(shù)、分級燃燒技術(shù)以及二者相結(jié)合的技術(shù)等。

1.1 廢氣循環(huán)技術(shù)

廢氣循環(huán)分為煙氣內(nèi)循環(huán)和煙氣外循環(huán)。常見JN型焦?fàn)t內(nèi)部設(shè)有內(nèi)循環(huán)孔，煙氣由下降立火道經(jīng)內(nèi)循環(huán)孔進入上升立火道內(nèi)，稱為煙氣內(nèi)循環(huán)。此外，部分煙氣伴隨助燃空氣進入上升立火道內(nèi)，稱為煙氣外循環(huán)。煙氣循環(huán)采用循環(huán)倍率參數(shù)來表征，循環(huán)倍率是廢氣循環(huán)量與燃燒產(chǎn)生廢氣總量的比值。生產(chǎn)實際中，廢氣循環(huán)倍率是一個重要參數(shù)。

煙氣內(nèi)循環(huán)主要采用卷吸方式，通過將煙氣經(jīng)內(nèi)循環(huán)孔卷吸進入上升立火道內(nèi)，加強煙氣和上升立火道內(nèi)氣體的摻混和稀釋。由于操作條件的限制，煙氣內(nèi)循環(huán)倍率不能實現(xiàn)定量調(diào)節(jié)，因此，考慮借助于數(shù)值仿真在定性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)定量。 馮妍卉團隊、Zhang Ting等人利用數(shù)值模擬分析手段對燃燒室煙氣內(nèi)循環(huán)作了詳細研究。馮妍卉等人通過燃燒室-炭化室耦合計算得出，在滿足焦炭成熟和氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，傳統(tǒng)焦?fàn)t的內(nèi)循環(huán)倍率為46%，與現(xiàn)場實測值50%較為接近?？梢钥闯觯瑪?shù)值模擬能夠在一定程度上為現(xiàn)場生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

很多學(xué)者在煙氣內(nèi)循環(huán)的基礎(chǔ)上提出了煙氣外循環(huán)，即在助燃空氣中摻混一定量的低溫廢氣。采用內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)相結(jié)合的方式可大幅度降低廢氣中氮氧化物的含量。 李紅、孟得慧等人對廢氣外循環(huán)作了深入研究。李紅等人利用FLUENT軟件對焦?fàn)t立火道煙氣外循環(huán)進行了模擬計算，提出外循環(huán)倍率控制在5%～10%可有效將氮氧化物控制在國家排放標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，且不影響煤氣燃燒效率。

1.2 分級燃燒技術(shù)

伴隨著焦?fàn)t大型化、流程高效潔凈化的發(fā)展趨勢，技術(shù)也在不斷創(chuàng)新與進步，分級燃燒技術(shù)就是其中之一，其最初在美國發(fā)展，在大容積焦?fàn)t降低氮氧化物排放過程中起到了很重要的作用，如今已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，如航空航天領(lǐng)域、水泥領(lǐng)域、發(fā)電領(lǐng)域等，且都取得了良好的環(huán)保效果和經(jīng)濟效益。

分級燃燒技術(shù)在焦?fàn)t上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在空氣或空氣和高爐煤氣的分段加熱，通過在燃燒室立火道之間按一定比例增設(shè)入口通道，達到拉長火焰、改善高向溫度分布和降低污染物的目的。Weiss Christian、Taniguchi M等人利用數(shù)值模擬和試驗方法對分級燃燒進行了驗證，與未分級相比，分級燃燒可有效降低煙氣中NO的排放。馮妍卉團隊也對大容積高爐分級燃燒進行了仿真計算，結(jié)果表明，分級燃燒不僅可降低氮氧化物，還可降低廢氣循環(huán)倍率，使其由傳統(tǒng)下噴式焦?fàn)t的46%降低至35%。由此可見，對于大容積焦?fàn)t而言，分級燃燒技術(shù)是降低氮氧化物的有效措施。

2 數(shù)值模擬在炭化室傳熱過程中的應(yīng)用

現(xiàn)代JN型蓄熱式焦?fàn)t主要由燃燒室和炭化室依次相間組成，是一個復(fù)雜的高溫化學(xué)反應(yīng)容器。炭化室內(nèi)煤粉干餾所需熱量來源于燃燒室內(nèi)部煤氣的燃燒，通過熱傳導(dǎo)和熱輻射等傳熱方式經(jīng)中間硅磚隔墻將熱量傳遞給炭化室。熱量從兩側(cè)爐墻通過煤料傳至炭化室中心，從中心到爐墻依次分布著濕煤層、干煤層、塑性層、半焦層和焦炭層。炭化室內(nèi)各部位同時進行著不同的成焦階段，即成層結(jié)焦，但隨后又依次消失，當(dāng)中心溫度達到950～1 050℃時，認(rèn)為焦炭成熟。基于上述背景，利用數(shù)值模擬方法搭建炭化室數(shù)理模型，對炭化室內(nèi)的傳熱過程進行仿真計算，給予現(xiàn)場操作以理論借鑒。

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，焦?fàn)t炭化室傳熱過程數(shù)學(xué)模型也在不斷變革。由田代清等人提出的常物性炭化室傳熱模型，到西德Rohde等人建立的變物性炭化室傳熱模型，再到現(xiàn)在的炭化室-燃燒室耦合三維模型，由單室計算到多室耦合，已經(jīng)越來越接近于焦?fàn)t生產(chǎn)的實際情況。同時，傳熱機理和焦化機理也在不斷在深入，研究手段不斷革新，這其中數(shù)值模擬發(fā)揮了不可或缺的作用。

Zhang Qinghuan等人利用數(shù)值仿真軟件，搭建炭化室-燃燒室三維耦合模型，分析了炭化室溫度對結(jié)焦過程的影響。謝安國團隊采用模擬軟件建立了炭化室-燃燒室耦合的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)理模型，重點考察了溫度隨時間的變化，并分析了不同蒸發(fā)模型、不同煤料初始溫度、不同煤料密度、不同水分含量因素下，炭化室中心溫度的變化，給出6 m焦?fàn)t結(jié)焦時間約為20 h左右。

此外，馮妍卉團隊在模擬焦?fàn)t熱過程的同時，探討了簡化計算的解耦算法，有效減少了計算量，為多室耦合的數(shù)值模擬提供了理論參考。解耦算法一示意圖見圖 1，解耦算法二示意圖見圖2。

圖1 解耦算法一示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Decoupling AlgorithmⅠ

圖2 解耦算法二示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Decoupling AlgorithmⅡ

在解耦算法一中，炭化室和燃燒室兩室隔墻熱流密度以恒定熱流為初始條件，將炭化室-燃燒室耦合傳熱過程分解為炭化室內(nèi)煤粉的非穩(wěn)態(tài)干餾過程和燃燒室內(nèi)穩(wěn)態(tài)的擴散燃燒過程，對單室進行傳熱過程模擬計算。在解耦算法二中，將炭化室-燃燒室耦合的傳熱過程分解為單獨燃燒室的煤氣燃燒過程和利用燃燒室所產(chǎn)生的煙氣向炭化室煤料傳熱的過程，燃燒室采取穩(wěn)態(tài)計算方法，炭化室部分采取兩室“結(jié)構(gòu)耦合”非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬，不考慮燃燒室燃燒部分。這兩種解耦算法中，炭化室和燃燒室看似獨立，但內(nèi)在統(tǒng)一，可明顯加快收斂速度。

3 鞍鋼目前在焦?fàn)t數(shù)值模擬方面所做工作

現(xiàn)階段，焦?fàn)t熱過程數(shù)值模擬采用的軟件主要為FLUENT和CFX等，鞍鋼集團煉焦團隊基于鞍山區(qū)域焦?fàn)t的生產(chǎn)情況，選擇采用FLUENT軟件進行模擬計算。FLUENT中有多種化學(xué)反應(yīng)模型可供選擇，尤其是湍流狀態(tài)的燃燒反應(yīng)模型，一直占有重要地位。FLUENT軟件中靈活的非機構(gòu)化網(wǎng)格和多種求解方法提高了FLUENT在焦?fàn)t模擬中的求解精度，且其采用的多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，提高了計算收斂速度，大大縮短了焦?fàn)t研究過程中的時間和經(jīng)費投入。同時，通過模擬計算也可為焦?fàn)t試驗研究和小焦?fàn)t試驗提供強有力的技術(shù)支撐。

鞍鋼集團煉焦團隊利用FLUENT軟件搭建了適合實際生產(chǎn)的焦?fàn)t立火道三維穩(wěn)態(tài)數(shù)理模型，采用理論與實踐相結(jié)合的方式，研究了廢氣循環(huán)倍率、高爐煤氣和空氣預(yù)熱溫度、焦?fàn)t煤氣摻混比例對煙氣中氮氧化物生成特性的影響，并進一步針對上述參數(shù)進行模型優(yōu)化，將優(yōu)化后的模型應(yīng)用于鞍山區(qū)域6 m焦?fàn)t并指導(dǎo)生產(chǎn)。

氮氧化物含量與外循環(huán)倍率之間的關(guān)系如圖3所示，其中參考面取立火道底部高爐煤氣和空氣入口中心面。與無廢氣循環(huán)相比，當(dāng)循環(huán)倍率提高到10%時，廢氣中氮氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7×10降低至4×10，下降約42%，效果顯著。

圖3 廢氣中氮氧化物含量與外循環(huán)倍率之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between Nitrogen Oxide Content in Exhaust Gas and Multiplying Power for External Cycle

不同外循環(huán)倍率下的溫度云圖見圖4。無廢氣循環(huán)時，立火道內(nèi)最高溫度為2 081 K，當(dāng)循環(huán)倍率提高到10%時，最高溫度降低至2 045 K，下降約2%，氮氧化物含量下降約42%。由此可見，降低溫度可有效減少廢氣中氮氧化物的排放。此外，廢氣循環(huán)技術(shù)可稀釋燃料和助燃氣體濃度，拉長燃燒火焰，使熱量在高度方向上更加均勻，提高成焦率。

圖4 不同外循環(huán)倍率下的溫度云圖Fig.4 Temperature Nephogram by Different Multiplying Powers for External Cycle

廢氣循環(huán)和分級燃燒均是行之有效的低氮燃燒技術(shù)，也是現(xiàn)階段普遍采取的措施。目前，鞍鋼集團鞍山區(qū)域焦?fàn)t均采用廢氣循環(huán)技術(shù)，對于7 m焦?fàn)t，也配套和采用了分級燃燒技術(shù)，降低污染物效果顯著。但7 m或更大容積焦?fàn)t二次風(fēng)和三次風(fēng)所對應(yīng)的入口位置即入口分級比例還需更深入研究，以取得更好的降氮效果和高向溫度均勻性。可以看出，數(shù)值模擬分析方法在焦?fàn)t工藝優(yōu)化上提供了有益參考，也為后續(xù)技術(shù)創(chuàng)新提供了發(fā)展方向。

未來鞍鋼集團煉焦團隊打算結(jié)合鞍鋼集團鞍山區(qū)域焦?fàn)t實際生產(chǎn)參數(shù)，以實際煉焦所用單種煤和配合煤指標(biāo)為主要依據(jù)，建立炭化室-燃燒室三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)理模型，在耦合的條件下，模擬燃燒室內(nèi)氣體燃燒特性和炭化室結(jié)焦傳熱過程。在此基礎(chǔ)上，判斷焦餅成熟時間并給出理論根據(jù)。

4 結(jié)論與展望

（1）目前，數(shù)值模擬技術(shù)在焦?fàn)t燃燒室和炭化室的應(yīng)用中取得了很大進步。結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，可預(yù)判燃燒室煙氣中氮氧化物的排放特性；利用炭化室單向傳熱特點，可模擬炭化室內(nèi)焦餅成層結(jié)焦時的傳熱過程。

（2）數(shù)值模擬在焦?fàn)t生產(chǎn)上的應(yīng)用主要集中在燃燒室和炭化室兩部分，由單室計算逐漸發(fā)展到多室耦合，標(biāo)志著焦?fàn)t過程數(shù)值仿真研究工作逐漸向多室、多因素發(fā)展，如直行溫度、橫排溫度等，借助于數(shù)值模擬分析手段，可求解全爐燃燒室各測溫火道的溫度或燃燒室橫向各火道的溫度。

（3）鞍鋼集團煉焦團隊針對鞍鋼集團鞍山區(qū)域6 m焦?fàn)t實際操作參數(shù)，搭建了描述焦?fàn)t燃燒室立火道內(nèi)部傳熱、傳質(zhì)及燃燒等過程的三維穩(wěn)態(tài)數(shù)理模型，將數(shù)值模擬與現(xiàn)場操作有機結(jié)合，推動煉焦工藝取得更大進步。