龐克亮，劉福軍，王超，武吉，蔡秋野

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

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2019年中國(guó)焦炭產(chǎn)量為4.71億t，同比增長(zhǎng)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(guò)一個(gè)參數(shù)指標(biāo)即鼻梁磚溫度來(lái)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(jì)算機(jī)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(lái)越清晰化的展現(xiàn)在操作者面前。20世紀(jì)20年代開(kāi)始，焦?fàn)t傳熱過(guò)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(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示方法將焦?fàn)t內(nèi)部實(shí)際狀態(tài)以 “可視化”的形式展現(xiàn)出來(lái)，明晰炭化室內(nèi)部的成層結(jié)焦過(guò)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(jìn)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(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》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(shí)，隨著國(guó)家環(huán)保力度的加大，對(duì)焦?fàn)t中氮氧化物的排放控制也日益嚴(yán)格。

鐘英飛對(duì)焦?fàn)t燃燒過(guò)程中氮氧化物的形成機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，主要分為溫度熱力型NO、碳?xì)淙剂峡焖傩蚇O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(lái)源。顯然，上述結(jié)論對(duì)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(guó)內(nèi)焦?fàn)t燃燒室在設(shè)計(jì)方面采取的降氮技術(shù)主要有廢氣循環(huán)技術(shù)、分級(jí)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(jiàn)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(jìn)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(jìn)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(lái)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(shí)際中，廢氣循環(huán)倍率是一個(gè)重要參數(shù)。

煙氣內(nèi)循環(huán)主要采用卷吸方式，通過(guò)將煙氣經(jīng)內(nèi)循環(huán)孔卷吸進(jìn)入上升立火道內(nèi)，加強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)定量。 馮妍卉團(tuán)隊(duì)、Zhang Ting等人利用數(shù)值模擬分析手段對(duì)燃燒室煙氣內(nèi)循環(huán)作了詳細(xì)研究。馮妍卉等人通過(guò)燃燒室-炭化室耦合計(jì)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(chǎng)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(duì)廢氣外循環(huán)作了深入研究。李紅等人利用FLUENT軟件對(duì)焦?fàn)t立火道煙氣外循環(huán)進(jìn)行了模擬計(jì)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(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，且不影響煤氣燃燒效率。

1.2 分級(jí)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(shì)，技術(shù)也在不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，分級(jí)燃燒技術(shù)就是其中之一，其最初在美國(guó)發(fā)展，在大容積焦?fàn)t降低氮氧化物排放過(guò)程中起到了很重要的作用，如今已廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(jì)效益。

分級(jí)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(guò)在燃燒室立火道之間按一定比例增設(shè)入口通道，達(dá)到拉長(zhǎng)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(yàn)方法對(duì)分級(jí)燃燒進(jìn)行了驗(yàn)證，與未分級(jí)相比，分級(jí)燃燒可有效降低煙氣中NO的排放。馮妍卉團(tuán)隊(duì)也對(duì)大容積高爐分級(jí)燃燒進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明，分級(jí)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(jiàn)，對(duì)于大容積焦?fàn)t而言，分級(jí)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(guò)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(gè)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(lái)源于燃燒室內(nèi)部煤氣的燃燒，通過(guò)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(guò)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(shí)進(jìn)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(dá)到950～1 050℃時(shí)，認(rèn)為焦炭成熟?；谏鲜霰尘?，利用數(shù)值模擬方法搭建炭化室數(shù)理模型，對(duì)炭化室內(nèi)的傳熱過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，給予現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(jì)算到多室耦合，已經(jīng)越來(lái)越接近于焦?fàn)t生產(chǎn)的實(shí)際情況。同時(shí)，傳熱機(jī)理和焦化機(jī)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(duì)結(jié)焦過(guò)程的影響。謝安國(guó)團(tuán)隊(duì)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(diǎn)考察了溫度隨時(shí)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(shí)間約為20 h左右。

此外，馮妍卉團(tuán)隊(duì)在模擬焦?fàn)t熱過(guò)程的同時(shí)，探討了簡(jiǎn)化計(jì)算的解耦算法，有效減少了計(jì)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(jiàn)圖 1，解耦算法二示意圖見(jiàn)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(guò)程分解為炭化室內(nèi)煤粉的非穩(wěn)態(tài)干餾過(guò)程和燃燒室內(nèi)穩(wěn)態(tài)的擴(kuò)散燃燒過(guò)程，對(duì)單室進(jìn)行傳熱過(guò)程模擬計(jì)算。在解耦算法二中，將炭化室-燃燒室耦合的傳熱過(guò)程分解為單獨(dú)燃燒室的煤氣燃燒過(guò)程和利用燃燒室所產(chǎn)生的煙氣向炭化室煤料傳熱的過(guò)程，燃燒室采取穩(wěn)態(tài)計(jì)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(dú)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(guò)程數(shù)值模擬采用的軟件主要為FLUENT和CFX等，鞍鋼集團(tuán)煉焦團(tuán)隊(duì)基于鞍山區(qū)域焦?fàn)t的生產(chǎn)情況，選擇采用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計(jì)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(jī)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(jì)算收斂速度，大大縮短了焦?fàn)t研究過(guò)程中的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)投入。同時(shí)，通過(guò)模擬計(jì)算也可為焦?fàn)t試驗(yàn)研究和小焦?fàn)t試驗(yàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

鞍鋼集團(tuán)煉焦團(tuán)隊(duì)利用FLUENT軟件搭建了適合實(shí)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(shí)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(duì)煙氣中氮氧化物生成特性的影響，并進(jìn)一步針對(duì)上述參數(shù)進(jìn)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(wú)廢氣循環(huán)相比，當(dāng)循環(huán)倍率提高到10%時(shí)，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(jiàn)圖4。無(wú)廢氣循環(huán)時(shí)，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(shí)，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(jiàn)，降低溫度可有效減少?gòu)U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?xì)怏w濃度，拉長(zhǎng)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(jí)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(tuán)鞍山區(qū)域焦?fàn)t均采用廢氣循環(huán)技術(shù)，對(duì)于7 m焦?fàn)t，也配套和采用了分級(jí)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(duì)應(yīng)的入口位置即入口分級(jí)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?？梢钥闯?，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(lái)鞍鋼集團(tuán)煉焦團(tuán)隊(duì)打算結(jié)合鞍鋼集團(tuán)鞍山區(qū)域焦?fàn)t實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，以實(shí)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(guò)程。在此基礎(chǔ)上，判斷焦餅成熟時(shí)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(jìn)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(diǎn)，可模擬炭化室內(nèi)焦餅成層結(jié)焦時(shí)的傳熱過(guò)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(jì)算逐漸發(fā)展到多室耦合，標(biāo)志著焦?fàn)t過(guò)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(cè)溫火道的溫度或燃燒室橫向各火道的溫度。

（3）鞍鋼集團(tuán)煉焦團(tuán)隊(duì)針對(duì)鞍鋼集團(tuán)鞍山區(qū)域6 m焦?fàn)t實(shí)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(guò)程的三維穩(wěn)態(tài)數(shù)理模型，將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)操作有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)煉焦工藝取得更大進(jìn)步。