进口温度对SJ低温干馏炉燃烧特性的影响

李甲豪，王富强，韦新成，闫 龙，高 勇，李大艳

（1.榆林学院 化学与化工学院 陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林 719000；2.西安航天动力试验技术研究所，陕西 西安 710100；3.榆林学院 外国语学院，陕西 榆林 719000）

陕北地区煤炭资源贮备量大、 种类丰富且质量优质，是适用于低温干馏生产的化工原料，有效利用煤炭资源有利于煤化工的发展和环境洁净。 煤的低温干馏是指煤在隔绝空气条件下发生的一系列物理现象和化学反应的复杂过程，在反应过程中，生成的产物有气相煤气、液相焦油和水、固相半焦[1]。到目前为止，低温干馏的理论还不够完善，实践中的相关参数还有待改良， 通过有限元方法对SJ低温干馏炉内的压力场、温度场进行研究，对于提高煤炭利用率和生产效率具有重要的意义[2-5]。 本文采用有限元方法对SJ低温干馏炉内的燃烧特性进行数值模拟， 研究进口温度对炉内温度场、压力场的影响，研究结果有利于完善低温干馏工艺的生产条件， 提高煤炭的干馏效率。

1 几何模型建立及网格划分

根据SJ低温干馏炉的尺寸和大小， 对低温干馏方炉进行物理建模和网格划分[6-7]。干馏炉高度为7.2 m，宽度为6.0 m，进口直径为0.2 m，如图1所示。 以实际模拟条件为需要，对物理模型进行网格划分，采用纯六面体网格集中分布的方式进行网格划分， 为提高研究结果的精准性与科学性， 在干馏炉的进口处和出口处增加网格密度，确保模拟的准确性，网格划分的疏密程度有助于提高模拟结果的有效性[8]。

图1 低温干馏炉几何模型及网格划分示意图

2 确定边界条件及气体成分

2.1 边界条件的设置

（1）进口进料速度为6 m/s，混合气体进口温度t在25～175 ℃范围内阶梯性变化，出口压力为0，出口温度为330 ℃。

（2）低温干馏方炉的壁面为标准壁面，无热损失且不考虑炉壁的具体数值， 因此壁面边界设定为绝热壁面。

（3）低温干馏方炉内的物理模型为对称的，为了计算简便快捷，设定中心对称面边界条件为对称边界。

2.2 气体成分

混合煤气组分的质量分数见表1。

表1 混合煤气组分的质量分数

在低温方炉中， 炉内发生的几个主要化学反应都是放热反应，其反应式如下所示：

3 数学模型的选择

激活能量方程（Energy Equation），湍流模型选择k-ε 两方程模型， 气体燃烧模型选择有限速率/涡耗散（Finite rate/Eddy dissipation）模型，热交换模型选择P-1辐射模型[9]。炉内煤层采用多孔介质模型，孔隙率为0.2。

4 数值模拟

4.1 进口温度对低温干馏方炉内压力分布的影响

进口温度不同时低温干馏炉内压力场分布云图如图2所示。可以看出，当进口温度阶梯变化时，对低温干馏炉腔压力的影响呈规律性变化[10]，炉腔的出口附近压力最小，进口附近压力最大。随着燃烧反应的不断进行， 压力由混合煤气与空气进口处向出口处逐渐降低，炉腔内压力降低程度逐渐变缓，壁面附近压力均逐渐减小，炉腔内部压力总体降低。

图2 不同进口温度时低温干馏炉内压力场分布云图

进口温度不同时低温干馏炉内压力分布曲线如图3所示，进口温度不同时低温干馏炉内平均压力如图4所示。可以看出，随着进口温度的升高，炉腔的压力整体呈下降趋势，出口处压力相对最低，靠近炉壁侧压力较高， 进口温度在25～125 ℃范围内变化时，炉内压力的大小变化较大， 进口温度在125～175 ℃范围内变化时，炉内压力变化较小，炉壁压力与出口压力相差程度也逐渐减小。 炉腔内平均压力在进口温度为125 ℃时分布均匀且较为稳定，压力降低，促进了煤的低温热解， 此时混合煤气与空气燃烧反应较为充分，提高了反应产物的效率。

图3 不同进口温度时低温干馏炉内压力分布曲线图

图4 不同进口温度时低温干馏炉内平均压力图

4.2 进口温度对低温干馏方炉内温度分布的影响

进口温度不同时低温干馏炉内温度场分布云图如图5所示。 可以看出，当进口温度阶梯变化时，对低温干馏炉腔温度的影响呈规律性变化[11]，炉腔的出口附近温度最高，进口附近温度较低，随着燃烧反应的不断进行， 温度由混合煤气与空气进口处向出口处逐渐增高，炉腔内温度升高程度逐渐变缓，炉底部与壁面附近温度逐渐升高，炉腔内部温度总体升高。

图5 不同进口温度时低温干馏炉内温度场分布云图

进口温度不同时低温干馏炉内温度分布曲线如图6所示，不同进口温度时低温干馏炉内平均温度如图7所示。可以看出，随着进口温度的升高，炉腔的温度整体呈上升趋势， 出口中间处温度比出口炉壁侧较低，靠近炉壁侧温度较高。 进口温度在25 ℃时，炉腔内温度较低，混合煤气与空气燃烧反应不充分，导致炉腔温度反应不均匀； 进口温度在75～175 ℃时，炉腔内温度升高，混合煤气与空气燃烧反应较25 ℃时充分；进口温度为125 ℃时，炉腔内平均温度分布均匀且较为稳定，此时混合煤气与空气燃烧充分，促进了煤的低温热解，提升了煤气、焦油、半焦的产率。

图6 不同进口温度时低温干馏炉内温度分布曲线图

图7 不同进口温度时低温干馏炉内平均温度图

5 结论

（1）当进口温度阶梯变化时, 随着燃烧反应的不断进行，炉腔内整体压力降低，出口附近压力最小，进口附近压力最大, 混合煤气与空气出口处附近和壁面附近压力逐渐减小， 当进口温度为125 ℃时炉腔内压力分布均匀。

（2）当进口温度阶梯变化时，随着燃烧反应的不断进行，炉腔内整体温度上升，出口附近温度最大，进口附近温度最小， 混合煤气与空气进口处附近和炉底部及壁面附近温度逐渐增高，当进口温度为125℃时炉腔内温度分布均匀。