几何结构对SJ低温干馏炉内温度场及压力场的影响

高 勇，李大艳，闫 龙，范晓勇，李 健，师永鹏

（1.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林719000；2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林719000；3.榆林学院 外国语学院，陕西 榆林719000）

煤炭是中国分布最广、储量最多的能源和重要的战略资源，也是重要的能源矿产资源之一，在钢铁、化工等方面应用很广。随着国内经济的发展，化工、电力等行业也都将快速向前迈进，煤炭洁净技术的研究利用也将随之快速发展，使得煤炭的需求不断增长[1]。陕北地区煤炭资源主要是低变质煤，目前国内外对于低变质煤的最佳处理工艺就是低温干馏工艺，此工艺主要用于生产低温煤焦油、半焦和煤气等产品，是当代主要的生产工艺之一[2]。SJ低温干馏炉是对低变质煤进行低温干馏的重要设备[3]，为了提高煤炭的利用率和煤炭低温干馏产率，需要对低温干馏炉内燃烧特性进行分析，掌握其影响规律和性质特点。本文运用有限元软件分析几何结构对SJ低温干馏炉内温度场和压力场的影响，研究出口直径和花墙数量不同时干馏炉内的燃烧特性，以实现节能减耗、提升煤的利用率、提高煤焦油、半焦等产品的品质及其综合利用价值。

1 模型建立和网格划分

SJ低温干馏炉的几何尺寸见表1。由于SJ低温干馏炉几何结构的对称性，因此选用二维几何模型的一半进行模拟。网格划分时为提高模拟精度和减少模拟计算量，在进、出口和花墙附近，采用较密集的网格划分，在炉子内部变化梯度较小处，进行相对稀疏的网格划分[4-5]。几何模型及网格划分如图1所示。

表1 低温干馏炉模型尺寸

图1 SJ低温干馏炉几何模型和网格划分示意图

2 数学模型

湍流模型选用标准k-ε模型，其具有稳定、经济及高精度计算等优点；气体燃烧模型选用有限速率/涡耗散混合模型，可用于两种或两种以上的化学反应[6]；热交换模型选用P-1辐射模型，以计算气体与煤粒之间的辐射换热；煤炭自身属于多孔类物质，且煤块之间存在缝隙，而气体与煤粒之间燃烧时的运动方式为气-固两相流，因此选用多孔介质模型近似代表煤层[7-8]。

3 边界条件设置

（1）进口边界条件设定为速度进口，进料速度为6 m/s，混合气体进口温度为60℃，SJ低温干馏炉内煤气组分见表2。

表2 SJ低温干馏炉内煤气组分

（2）出口边界定义为流动出口，由于出口体积分数不确定及静压的原因，出口边界条件选择压力出口，并将出口相对压力设置为0。

（3）壁面为标准壁面，由于模拟分析中，未涉及到热损失和壁厚的相关参数，因此壁面边界设定为绝热壁面。

（4）由于SJ低温干馏炉的结构化对称特征，为精简计算时耗，设定中心对称面边界条件为对称边界。

4 结果与分析

4.1 出口直径（D）对低温干馏炉的影响

图2 为不同出口直径时SJ低温干馏炉内的温度场分布云图。由图可见，高温主要分布在出口附近，而进口流速均匀，温度较低。当出口直径在0.5～2 m范围内逐渐增大时，炉温波动不大，炉腔顶部的高温部分范围逐渐增大，炉温整体有上升趋势。

图2 不同出口直径时SJ低温干馏炉内温度场分布云图

图3 为不同出口直径时SJ低温干馏炉内的压力场分布云图。由图可见，不同出口直径时低温干馏炉内压力变化幅度较大，低温干馏炉内出口附近压力最小，进口附近压力最大。随着反应的进行，压力由进口处向出口处呈逐渐降低趋势，到达出口时压力降至最低压力0 Pa。当出口直径在0.5~2.0 m范围内逐渐增大时，出口处压力减小幅度逐渐增大，壁面四周压力均呈逐渐减小趋势，当出口直径不断增大时，炉腔内部压力逐渐减小。

图3 不同出口直径时SJ低温干馏炉内压力场分布云图

出口直径对SJ低温干馏炉温度、压力的影响曲线图如图4所示。由图4可见，当出口直径逐渐增大时，低温干馏炉内最高温度和平均温度略微上升，且炉内平均温度变化速率较慢。低温干馏炉内的压力随出口直径的增大而逐渐减小，递减速率由快至慢变化。

图4 出口直径对炉内温度、压力影响的曲线图

对温度和压力与出口直径的关系进行拟合，得到线性拟合图如图5所示。从图中得出各拟合直线的斜率，则得出最高温度、平均温度、最高压力和平均压力与出口直径的关系分别为：Tmax∝D0.04，Tavg∝D0.03，Pmax∝D-1.14，Pavg∝D-0.52。

图5 温度、压力和出口直径的线性拟合图

4.2 花墙数量（N）对低温干馏炉的影响

图6 为不同花墙数量时SJ低温干馏炉内的温度场分布云图。由图可见，当花墙数量在4~10范围内变化时，随着花墙数量的逐渐增加，炉顶最高温度逐渐降低，高温依旧分布在出口附近，但分布不均匀，由出口处向进口处逐渐降低，最低温度分布在花墙和进口处，随着花墙数量的增多炉内燃烧分布越来越均匀，炉内温度整体下降。

图6 不同花墙数量时SJ低温干馏炉内温度场分布云图

图7 为不同花墙数量时SJ低温干馏炉内的压力场分布云图。由图7可见，花墙数量对低温干馏炉内压力变化幅度影响较大，压力由混合煤气与空气进口处向出口处逐渐降低，由图知当花墙数量由4向10增大时，出口处压力增大并向四周扩散，壁面附近压力均逐渐增大。

图7 不同花墙数量时SJ低温干馏炉内压力场分布云图

花墙数量对SJ低温干馏炉温度、压力的影响曲线图如图8所示。由图8可见，当花墙数量逐渐增多时，低温干馏炉内最高温度和平均温度均缓慢下降。低温干馏炉内的最高压力和平均压力都随花墙数量增加而逐渐增大。

图8 花墙数量对炉内温度、压力影响的曲线图

对温度和压力与花墙数量的关系进行拟合，得线性拟合图如图9所示。从图9中得出各拟合直线的斜率，则得出最高温度、平均温度、最高压力和平均压力与花墙数量的关系分别为：Tmax∝N-0.12，Tavg∝N-0.16，Pmax∝N0.44，Pavg∝N1.38。

图9 温度、压力和花墙数量的线性拟合图

5 总结

（1）当出口直径逐渐增大时，炉内温度逐渐上升，且平均温度升高速率较快。炉内压力随出口尺寸的增大而逐渐减小，递减速率由快至慢变化。

（2）当花墙数量逐渐增多时，炉内最高温度和平均温度均缓慢下降。炉内的最高压力和平均压力都随花墙数量增加而逐渐增大。