低阶粉煤直接换热干燥工艺CFD仿真研究.pdf
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1、8燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesNov.2023Vol.54 No.6煤焦技术低阶粉煤直接换热干燥工艺 CFD 仿真研究李旭东1,2刘洪春1,2封一飞1,2王满1,2(1.中冶焦耐(大连)工程技术有限公司,大连116085)(2.辽宁省低碳焦化专业技术创新中心,大连116085)摘要:通过对低阶粉煤直接换热干燥工艺过程仿真计算结果(煤层温度分布图、水分分布图等)及统计数据的分析,结合工程设计,改进设备结构及优选设计方案,为干燥器设计提供技术支持。关键词:干燥器;直立炉;计算流体力学 中图分类号:TQ520.6文献标识码:A文章编号:1001-3709(2023
2、)06-0008-05C F D s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n d i r e c t h e a t e x c h a n g e d r y i n g p r o c e s s o f l o w-r a n k f i n e c o a lLi Xudong1,2Liu Hongchun1,2Feng Yifei1,2Wang Man1,2(1.ACRE Coking&Refractory Engineering Consulting Corporation(Dalian),MCC,Dalian 116085,China;2.Low
3、 Carbon Coking&Chemical Professional Technology Innovation Center,Liaoning Province,Dalian 116085,China)A b s t r a c t:Computational fluid dynamics(CFD)is applied to study working status of dryer.Based on the results of simulation(coal seam temperature distribution diagram,water distribution diagra
4、m,etc.),statistic analysis and project design,the structural improvements and scheme optimization are proposed to provide technical support for the design of dryer.Ke y w o r d s:Dryer;Vertical Furnace;CFD1前言外热式直立炉1是采用间接加热方式对连续移动的低阶煤进行干馏处理的装置。中冶焦耐自主开发了具有全新结构和工艺装备的外热式低阶粉煤连续干馏炉(JNWFG),实现了对低阶粉煤的分质利用。为了
5、进一步提高产能,设计采用干燥装置对入炉的原料煤通过加热进行干燥预处理。低阶粉煤的干燥方式主要有间接干燥工艺(多管回转式干燥机等2)和直接干燥工艺(流化床干燥技术等3)两种。前者换热效率低、占地面积大、设备运行成本高;后者换热效率高、功率消耗大,并且低温尾气含尘量高,处理困难。综合间接干燥和直接干燥的优缺点,拟采用低阶粉煤直接换热干燥工艺,即将高温气体直接通入低阶粉煤料层内,在不对煤料造成扰动的条件下对含水低阶粉煤进行干燥处理。本文通过计算流体力学(CFD)的数值模拟方法,应用Fluent软件,采用欧拉(Eulerian)多相流模型,对此干燥工艺进行研究。2采用的数学模型模拟仿真计算采用的数学模
6、型根据干燥工艺的特点来确定。低阶粉煤直接换热干燥工艺是将温度约300 的烟气通入干燥器内缓慢向下移动的含水原料煤层中。原料煤吸收烟气显热后不断升温,当达到100 左右时,其所含水分不断汽化析出,并随烟气一同流动。由于煤料干燥过程类似于缓慢移动的稠密颗粒床间气固传热、传质过程,故收稿日期:2022-06-11作者简介:李旭东(1979-)男,正高级工程师9燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 11 月第 54 卷第 6 期采用能够很好地描述干燥器内气、固相间的运动及传热过程4-5的双欧拉多相流模型(Euler-Euler Multiphase)作为计算模型
7、。在此计算模型基础上,添加组分输运模型和Lee Model蒸发模型用以计算相间水分的迁移过程,计算采用的参数方程组如下。2.1连续性方程式中:S为固体项;l为流体项;为体积分数;为速度;为密度;p是所有时间的共有压力;ps为固体颗粒间压力;-为剪切力;n为固体项数量;K为动量交换系数;m.为相间质量交换;Fs为外部体积力;Flift,s为升力;Fvm,s为虚质量力;Ftd,s为湍流阻力。2.3能量方程式中:h为焓值;l为流体项;q为热通量;S为源项;Q为热交换强度。2.4Lee Model蒸发模型蒸发过程采用欧拉多相流中的Lee Model模型,公式如下:式中:V为蒸汽项,V为蒸汽体积分数,V
8、为蒸汽密度,VV为蒸汽速度,m.lV为蒸发转化速率,m.Vl为冷凝转化速率。3 几何模型和网格划分为了准确描述干燥器结构设计对原料煤层立体空间升温及干燥效果的影响,本文建立了三维计算模型。三维计算模型以初始的干燥器设计方案为基础,即采用干燥器箱体长3.6 m,烟气导入管和烟气导出管水平方向上等间距设置,高向上下两排交错布置,每根导管底部为敞开式结构的方案。该方案中原料煤由干燥器顶部进入,经换热后由底部排出;热烟气经干燥器内烟气导入管底部开口逐渐流入煤层,穿过煤层后烟气由导出管底部开口进入导出管,汇聚后排出干燥器。烟气在从导入管底部运行到导出管底部的过程,完成对原料煤的预热升温和蒸发干燥。为了提
9、高工作效率,在不影响计算结果准确性的前提下,对流场模型结构进行下列简化,见图1。(1)忽略干燥器内部支撑件对模型结构的影响。(2)忽略导气装置壁厚度对模型结构的影响。因干燥器三维流场为对称结构,考虑到计算的经济性,采用立体对称几何模型开展计算研究。考虑到仿真计算应用数学模型的复杂程度和计算收敛困难等因素,采用高精度全六面体网格划分方法对干燥器三维流场模型进行离散化处理,见图2。4计算条件采用干燥器的设计条件作为仿真计算的边界条件,干燥器内原料煤粒度组成见表1,平均粒径为12.2 mm,在缓慢向下运动过程中不发生破碎、偏析和热解反应,且空隙率均匀。干燥器设计条件见表2,烟气主要成分及含量见表3。
10、(5)+Sl+(Qsl+m.sl h sl-m.lsh ls)s=1(llhl)+(llulhl)=-l +l ul-qltplt(6)(V V)+(V VVV)=m.lV-m.Vlt式中:Sl为固体项;l为流体项;为体积分数;为速度;为密度;rl为流体项参考密度。2.2动量方程(1)流体项:(ll)+(llvl)=(m.sl-m.ls)+Sls=1t(3)l+llg+(Rsl +m.slvslm.lsvls)+(Fl +Flift,l+Fvm,l +Ftd,l)s=1流体项:(llvl)+(llvlvl)=l+t(4)+ssg+(Kls (vlvs)+m.lsvlsm.slvs)+(Fs +
11、Flift,s+Fvm,s+Ftd,s)l=1颗粒项:(ssvs)+(ssvsvs)=s p ps+st(2)颗粒项:(ll)+(llvl)=(m.sl-m.ls)s=11rlt图 1 干燥器几何模型示意图图 2 干燥器全六面体网格划分导管烟气出口烟气出口烟气入口烟气入口原料煤出口原料煤入口10燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesNov.2023Vol.54 No.6原料煤处理量/(th-1)热烟气量/(Nm3h-1)原料煤入炉温度/原料煤含水率/%热烟气温度/6.249 3602013300热烟气O2CO2H2ON2体积分数6.27.714.172表 2干燥器设计
12、条件%表 3烟气主要成分及含量注:原料煤总含水量为 13%,其中单质水为 9%,化合水为 4%(参考陕北低阶煤测定值)。5设计方案验证首先,通过仿真计算对干燥器的初始设计方案进行验证。根据初始设计,烟气入口与烟气出口分设在干燥器的两侧,即烟气采用异侧进出。经计算,得到了干燥器内烟气流线及流速分布图和煤层温度分布图,见图3与图4。如图3所示,干燥器内烟气流线多集中在烟气出口侧,表明干燥器煤层中烟气流量分布不均匀。出口侧烟气流量明显高于入口侧,导致了排料煤轴向温度分布不均,见图4。为了改善干燥器内烟气流动及排料温度均匀,在其他计算条件不变的情况下,将干燥器烟气导入、导出管布置由异侧进、出改为同侧进
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