高 勇，李大艷，閆 龍，范曉勇，李 健，師永鵬

（1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林719000；2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林719000；3.榆林學(xué)院 外國語學(xué)院，陜西 榆林719000）

煤炭是中國分布最廣、儲量最多的能源和重要的戰(zhàn)略資源，也是重要的能源礦產(chǎn)資源之一，在鋼鐵、化工等方面應(yīng)用很廣。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化工、電力等行業(yè)也都將快速向前邁進(jìn)，煤炭潔凈技術(shù)的研究利用也將隨之快速發(fā)展，使得煤炭的需求不斷增長[1]。陜北地區(qū)煤炭資源主要是低變質(zhì)煤，目前國內(nèi)外對于低變質(zhì)煤的最佳處理工藝就是低溫干餾工藝，此工藝主要用于生產(chǎn)低溫煤焦油、半焦和煤氣等產(chǎn)品，是當(dāng)代主要的生產(chǎn)工藝之一[2]。SJ低溫干餾爐是對低變質(zhì)煤進(jìn)行低溫干餾的重要設(shè)備[3]，為了提高煤炭的利用率和煤炭低溫干餾產(chǎn)率，需要對低溫干餾爐內(nèi)燃燒特性進(jìn)行分析，掌握其影響規(guī)律和性質(zhì)特點。本文運用有限元軟件分析幾何結(jié)構(gòu)對SJ低溫干餾爐內(nèi)溫度場和壓力場的影響，研究出口直徑和花墻數(shù)量不同時干餾爐內(nèi)的燃燒特性，以實現(xiàn)節(jié)能減耗、提升煤的利用率、提高煤焦油、半焦等產(chǎn)品的品質(zhì)及其綜合利用價值。

1 模型建立和網(wǎng)格劃分

SJ低溫干餾爐的幾何尺寸見表1。由于SJ低溫干餾爐幾何結(jié)構(gòu)的對稱性，因此選用二維幾何模型的一半進(jìn)行模擬。網(wǎng)格劃分時為提高模擬精度和減少模擬計算量，在進(jìn)、出口和花墻附近，采用較密集的網(wǎng)格劃分，在爐子內(nèi)部變化梯度較小處，進(jìn)行相對稀疏的網(wǎng)格劃分[4-5]。幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

表1 低溫干餾爐模型尺寸

圖1 SJ低溫干餾爐幾何模型和網(wǎng)格劃分示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其具有穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)及高精度計算等優(yōu)點；氣體燃燒模型選用有限速率/渦耗散混合模型，可用于兩種或兩種以上的化學(xué)反應(yīng)[6]；熱交換模型選用P-1輻射模型，以計算氣體與煤粒之間的輻射換熱；煤炭自身屬于多孔類物質(zhì)，且煤塊之間存在縫隙，而氣體與煤粒之間燃燒時的運動方式為氣-固兩相流，因此選用多孔介質(zhì)模型近似代表煤層[7-8]。

3 邊界條件設(shè)置

（1）進(jìn)口邊界條件設(shè)定為速度進(jìn)口，進(jìn)料速度為6 m/s，混合氣體進(jìn)口溫度為60℃，SJ低溫干餾爐內(nèi)煤氣組分見表2。

表2 SJ低溫干餾爐內(nèi)煤氣組分

（2）出口邊界定義為流動出口，由于出口體積分?jǐn)?shù)不確定及靜壓的原因，出口邊界條件選擇壓力出口，并將出口相對壓力設(shè)置為0。

（3）壁面為標(biāo)準(zhǔn)壁面，由于模擬分析中，未涉及到熱損失和壁厚的相關(guān)參數(shù)，因此壁面邊界設(shè)定為絕熱壁面。

（4）由于SJ低溫干餾爐的結(jié)構(gòu)化對稱特征，為精簡計算時耗，設(shè)定中心對稱面邊界條件為對稱邊界。

4 結(jié)果與分析

4.1 出口直徑（D）對低溫干餾爐的影響

圖2 為不同出口直徑時SJ低溫干餾爐內(nèi)的溫度場分布云圖。由圖可見，高溫主要分布在出口附近，而進(jìn)口流速均勻，溫度較低。當(dāng)出口直徑在0.5～2 m范圍內(nèi)逐漸增大時，爐溫波動不大，爐腔頂部的高溫部分范圍逐漸增大，爐溫整體有上升趨勢。

圖2 不同出口直徑時SJ低溫干餾爐內(nèi)溫度場分布云圖

圖3 為不同出口直徑時SJ低溫干餾爐內(nèi)的壓力場分布云圖。由圖可見，不同出口直徑時低溫干餾爐內(nèi)壓力變化幅度較大，低溫干餾爐內(nèi)出口附近壓力最小，進(jìn)口附近壓力最大。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，壓力由進(jìn)口處向出口處呈逐漸降低趨勢，到達(dá)出口時壓力降至最低壓力0 Pa。當(dāng)出口直徑在0.5~2.0 m范圍內(nèi)逐漸增大時，出口處壓力減小幅度逐漸增大，壁面四周壓力均呈逐漸減小趨勢，當(dāng)出口直徑不斷增大時，爐腔內(nèi)部壓力逐漸減小。

圖3 不同出口直徑時SJ低溫干餾爐內(nèi)壓力場分布云圖

出口直徑對SJ低溫干餾爐溫度、壓力的影響曲線圖如圖4所示。由圖4可見，當(dāng)出口直徑逐漸增大時，低溫干餾爐內(nèi)最高溫度和平均溫度略微上升，且爐內(nèi)平均溫度變化速率較慢。低溫干餾爐內(nèi)的壓力隨出口直徑的增大而逐漸減小，遞減速率由快至慢變化。

圖4 出口直徑對爐內(nèi)溫度、壓力影響的曲線圖

對溫度和壓力與出口直徑的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到線性擬合圖如圖5所示。從圖中得出各擬合直線的斜率，則得出最高溫度、平均溫度、最高壓力和平均壓力與出口直徑的關(guān)系分別為：Tmax∝D0.04，Tavg∝D0.03，Pmax∝D-1.14，Pavg∝D-0.52。

圖5 溫度、壓力和出口直徑的線性擬合圖

4.2 花墻數(shù)量（N）對低溫干餾爐的影響

圖6 為不同花墻數(shù)量時SJ低溫干餾爐內(nèi)的溫度場分布云圖。由圖可見，當(dāng)花墻數(shù)量在4~10范圍內(nèi)變化時，隨著花墻數(shù)量的逐漸增加，爐頂最高溫度逐漸降低，高溫依舊分布在出口附近，但分布不均勻，由出口處向進(jìn)口處逐漸降低，最低溫度分布在花墻和進(jìn)口處，隨著花墻數(shù)量的增多爐內(nèi)燃燒分布越來越均勻，爐內(nèi)溫度整體下降。

圖6 不同花墻數(shù)量時SJ低溫干餾爐內(nèi)溫度場分布云圖

圖7 為不同花墻數(shù)量時SJ低溫干餾爐內(nèi)的壓力場分布云圖。由圖7可見，花墻數(shù)量對低溫干餾爐內(nèi)壓力變化幅度影響較大，壓力由混合煤氣與空氣進(jìn)口處向出口處逐漸降低，由圖知當(dāng)花墻數(shù)量由4向10增大時，出口處壓力增大并向四周擴(kuò)散，壁面附近壓力均逐漸增大。

圖7 不同花墻數(shù)量時SJ低溫干餾爐內(nèi)壓力場分布云圖

花墻數(shù)量對SJ低溫干餾爐溫度、壓力的影響曲線圖如圖8所示。由圖8可見，當(dāng)花墻數(shù)量逐漸增多時，低溫干餾爐內(nèi)最高溫度和平均溫度均緩慢下降。低溫干餾爐內(nèi)的最高壓力和平均壓力都隨花墻數(shù)量增加而逐漸增大。

圖8 花墻數(shù)量對爐內(nèi)溫度、壓力影響的曲線圖

對溫度和壓力與花墻數(shù)量的關(guān)系進(jìn)行擬合，得線性擬合圖如圖9所示。從圖9中得出各擬合直線的斜率，則得出最高溫度、平均溫度、最高壓力和平均壓力與花墻數(shù)量的關(guān)系分別為：Tmax∝N-0.12，Tavg∝N-0.16，Pmax∝N0.44，Pavg∝N1.38。

圖9 溫度、壓力和花墻數(shù)量的線性擬合圖

5 總結(jié)

（1）當(dāng)出口直徑逐漸增大時，爐內(nèi)溫度逐漸上升，且平均溫度升高速率較快。爐內(nèi)壓力隨出口尺寸的增大而逐漸減小，遞減速率由快至慢變化。

（2）當(dāng)花墻數(shù)量逐漸增多時，爐內(nèi)最高溫度和平均溫度均緩慢下降。爐內(nèi)的最高壓力和平均壓力都隨花墻數(shù)量增加而逐漸增大。