基于相似理论的煤调湿实验装置研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 6 4 3.23MB 77 页 15积分

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摘要

我国作为全球焦炭生产、消费和出口大国，炼焦用煤却普遍存在含水量

偏高的问题，年平均含水率达 11%左右。根据相关资料报道：炼焦过程中煤中水

分每增加 1%，多耗热能 62.0MJ/t(干煤)计算。解决此类问题的方法为使用煤调湿

技术。若采用煤调湿技术，将煤中水分由 11%降至 6%，则可节省炼焦耗热能

10.6kgce/t(干煤)，然而炼焦用煤湿度降低后，煤料中细颗粒在运输途中，采用露

天方式易扩散至空气中造成污染，采用管道运输方式易发生粉尘爆炸造成安全威

胁，同时，炼焦煤中细颗粒增加对焦炉煤气的后续处理也会造成很大影响，故在

新型煤调湿工艺（装置）流程中嵌入了细颗粒选粉工序。

本文对现有细颗粒选粉装置进行研究，提出了一种新型鼓泡流化床方式的选

粉装置。该装置的选粉工作机理采用鼓泡流化状态为设计原理，根据不同流化速

度与煤颗粒关系，结合流化床自由空域内颗粒扬析与夹带的概念设计沉降室与装

置结合，保证 200μm细颗粒能够完全带出选粉装置并且 300μm颗粒能够沉降回

装置内，由物料出口带出。本文通过理论计算设计处理量为 200t/h 的细颗粒选粉

装置数学模型，并以相似理论为方法，将模型缩小为处理量为 2t/h 的相似模型。

由于煤颗粒粒径分布跨度大，在实验途中易发生破碎等容易影响实验结果等不利

因素存在，设计将选粉物质更换为石英砂的细颗粒选粉装置模型，并分别对两种

相似模型进行 Fluent 模拟仿真，研究颗粒运动情况，为实际工程装置的设计制造

和运行操作提供理论依据。

通过对煤颗粒模型和石英砂模型的仿真模拟数据的分析、整理、计算及归纳，

得出以下几点结论：

1、细颗粒选粉装置设计能够满足 300μm粗颗粒充分沉降，通过减少选粉装

置的处理量来延长颗粒在装置内的停留时间的方法，可以增加单位时间内细颗粒

的带出率，达到增加沉降室出口处 200μm细颗粒带出比例的作用。

2、在使用相似理论将模型外形尺寸缩小的基础上，使用煤颗粒为选粉物质

的模型在气体出口处颗粒带出率与选粉装置设计装置的计算值比较，粒径为

200μm~300μm颗粒带出率平均偏差为 23%；使用石英砂颗粒为选粉物质的模型

平均偏差为 18%，这个偏差数值是工程可以接受范围之内的。

3、在 Fluent 仿真软件平台上，对两种模型进行模拟仿真，分别绘制其运动

轨迹以及颗粒浓度曲线，发现同等处理量下 200μm煤颗粒模型气体出口颗粒浓

度与理论计算值偏差为 14.73%，石英砂颗粒模型为 12.85%，偏差均在工程允许

范围内。

本文设计的细颗粒选粉装置不仅从理论上验证了装置可行性，还通过仿真模

拟，进一步确认模型假设，为装置由设计阶段上升至实际运行阶段，并推广至所

有焦化行业解决选粉问题提供参考借鉴。

关键字：煤调湿选粉相似理论 DPM 模型

ABSTRACT

China is the largest coke country for production, consumption and export, coking

coal. But the coal prevalently has the problem of high water content which reached

average 11%. According to the relevant date, the moisture of coal increased every 1%,

the consumption of thermal energy will increased 62.0 MJ/t (dry coal). To solve this

problem is using the Coal Moisture Control technology. It makes the moisture of coal

decreased from 11% to 6% that saves thermal energy 10.6 kgce/t (dry coal). However,

the low moisture of coal will made the cohesiveness of coal decreased. With the

transport method of the open way, the fine particles will spread to the air and pollute

the environment. With the transport method of the pipeline, the dust is liked to

explosion. Moreover, the fine particles will make the manage process of coke oven

gas harder. So it is significant to add the classifier particle process in the coal moisture

control process.

This paper is about the classifier particle device. It gives a new form of bubbling

fluidized bed. This device is based on the bubbling fluidized theory. According to the

relationship of fluidization velocity and coal particle, it confines the 200μm fine

particles can completely out and the 300μm can settling back in the device which

combined with the theory of entrainment particles in TDH and the design of subside

chamber. This paper designed a capacity for 200t/h theoretical model, and built a

model which the capacity narrow to 2t/h by taking the similar theory. Because of coal

particle size distribution span, the particles are liked to crush into fine particles. So we

instead the classifier particles into sands which has steady quality and simulate the

two model through Fluent to get the particle movement situation. It will provide

theoretical basis for design and operation.

Through the analysis, calculate and summarize the data on the coal particle model

and the simulation model of the quartz sand. We get the following conclusions:

1. To insure the particle size 300μm could deposit completely, using the method

of reducing the capacity to prolong the residence time of particles. It can increase the

grain out rate of 200μm fine particle.

2. By using the similarity theory, the model is shrunk. When the coal particles are

regarded as powder-selecting material, the deviation of the grain out rate for 200μm

~300μm fine particles in outlet is 23%, when the quartz sand particles are regarded as

powder-selecting material, the deviation is 18%. Both deviations are acceptable in

engineering applications.

3. In the Fluent simulation software platform, the soft simulate the coal and the

sand model. It draws its trajectory and particle concentration curve. It finds that

200μm coal particle model’s deviation is 14.73% compared with the theoretical model,

and the sand model is 12.85%. The deviation is allowed in engineering.

This paper presents the device could run smoothly which proved by the theory

and the simulation. It can provide theoretical basis for design and operation.

Keywords: Coal Moisture Control, classifier particle, the similarity

theory, DPM model

第一章绪论............................................................................................................ 1

1.1 本课题研究背景及意义............................................................................... 1

1.2 煤调湿技术的研究概况............................................................................... 2

1.2.1 煤调湿技术简介.................................................................................. 2

1.2.2 内置热式煤调湿工艺流程.................................................................. 5

1.2.3 煤调湿技术应用现状.......................................................................... 6

1.3 选粉装置简介............................................................................................... 8

1.3.1 选粉装置结构简介.............................................................................. 9

1.3.2 选粉装置研究现状............................................................................ 10

1.4 相似原理模型实验法................................................................................. 12

1.4.1 相似原理模型实验法简介及发展历程............................................ 12

1.4.2 相似原理模型实验法准则及应用范围............................................ 13

1.5 本课题研究目标及内容............................................................................. 14

第二章细颗粒选粉装置数学模型.......................................................................... 15

2.1 引言............................................................................................................. 15

2.2 细颗粒选粉装置选粉机理......................................................................... 15

2.3 细颗粒选粉装置结构及参数..................................................................... 17

2.3.1 物理模型描述.................................................................................... 17

2.3.2 数学模型建立.................................................................................... 17

2.3.3 细颗粒选粉装置参数选取................................................................ 21

2.4 细颗粒选粉装置颗粒夹带率..................................................................... 23

2.4.1 物理模型描述及假设........................................................................ 23

2.4.2 数学模型建立及求解........................................................................ 24

2.4.3 不同固体颗粒粒径夹带率................................................................ 27

2.5 本章小结..................................................................................................... 28

第三章以煤粉为流化介质的相似模型.................................................................. 29

3.1 引言............................................................................................................. 29

3.2 相似模型建立............................................................................................. 29

3.2.1 相似理论的一般研究方法................................................................ 29

3.2.2 相似模型准则导出............................................................................ 30

3.3 细颗粒选粉装置相似模型修正................................................................. 33

3.3.1 以流化状态为判定依据.................................................................... 33

3.3.2 以选粉效果为判定依据..................................................................... 35

3.4 FLUENT 仿真模拟 .................................................................................... 36

3.4.1 GAMBIT 绘制框架及网格 ................................................................ 36

3.4.2 建立空床模型.................................................................................... 41

3.4.3 引入 DPM 模型添加煤粉 ................................................................. 46

3.4.4 模拟结果............................................................................................ 48

3.5 模拟结果分析及改进意见......................................................................... 53

3.6 本章小结..................................................................................................... 55

第四章使用石英砂为流化介质的相似模型.......................................................... 56

4.1 引言............................................................................................................. 56

4.2 模型建立及修正......................................................................................... 56

4.2.1 相似模型的建立................................................................................ 56

4.2.2 相似模型的修正................................................................................ 57

4.3 FLUENT 仿真模拟 .................................................................................... 60

4.4 本章小结..................................................................................................... 64

第五章结论及建议.................................................................................................. 65

5.1 结论............................................................................................................. 65

5.2 进一步工作建议......................................................................................... 66

符号表...................................................................................................................... 67

参考文献...................................................................................................................... 68

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.......................................... 72

致谢.......................................................................................................................... 73

第一章绪论

1.1 本课题研究背景及意义

能源是人类赖以生存和发展的基础，在当今社会，能源的发展和清洁利用是

全世界共同关注的问题，也是我国国民经济和社会发展的重要战略目标。由于世

界上石油、天然气等不可再生资源的存储量有限，能源开发与利用造成环境恶化

的相关性，各国都在对新能源开发以缓解现阶段能源紧张的局面，故节能减排是

关系到人类生存的重大指导方针。节约能源，提高能源的利用效率，减少污染物

的排放，是缓解能源紧缺，保证国民经济持续发展的有效措施之一。

钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业和实现工业化的支撑产业。我国钢

铁工业以高炉为主，焦炭作为高炉重要原料也随高炉发展一直在改善质量。进入

21 世纪以来，伴随着钢铁工业的快速发展，我国焦化行业取得了辉煌成就，成

为全球焦炭生产、消费和出口大国，截至 2009 年，我国生产量已达 3.53 亿吨，

占世界总产量的 60%以上，年消耗炼焦煤近 3.8亿吨，焦化产业年总生产值约 8000

亿人民币，在我国国民经济中占有重要地位[1]。目前我国焦化厂普遍存在炼焦用

煤含水量偏高（10%左右）的现象[2]，导致大量水分进入焦炉，并在焦炉中汽化

消耗大量热能，故降低炼焦用煤含水量对节能有重大意义。

煤调湿（Coal Moisture Control），简称 CMC，的基本原理是利用外界能量将

装炉煤在焦炉外进行干燥，控制装炉煤的水分，从而达到节约炼焦耗热量的作用。

装炉煤水分多少和其稳定与否，将直接对焦炭产量、质量以及焦炉寿命产生极大

地影响。由于水分汽化热大，煤料导热性差，不能迅速将热量传给没了内层。据

统计，装炉煤水分每增加 1%，结焦时间将延长 10-15min，炼焦耗热量增加 30kJ/kg。

使炼焦耗热量增加、产量降低；其次，装炉煤水分过高，产生的酚水量增加，增

大了酚氰污水处理装置的生产负荷。

近年来，国内大多数研究机构都在对煤调湿技术进行设计研究，但都主要围

绕着如何节能和如何清洁生产两个关键问题。节能，就是如何在不增设新的热源

情况下，尽量多的回收焦炉烟道气、高炉煤气或焦炉煤气的热量，以达到节能效

果；由于煤料在调湿后，含水量降低，在输送、装煤过程中，细颗粒煤粉会飞扬

至空气中，造成环境污染。故在设计煤调湿设备时，必须以这两个关键问题为基

础进行创新设计。

考虑到煤调湿系统的选粉装置均属大型设备，其建造周期长、造价高以及实

际运行工况复杂，较难对其运行参数进行有效检测和控制。本课题的研究意义是

采用相似理论的方法，对鼓泡流化床选粉装置的工作机理进行理论研究，选择一

种高效煤调湿设备，设计其实验模型，为后续搭建实验台、测绘实验数据并还原

基于相似理论的煤调湿实验装置研究

至设计装置提供理论基础。

1.2 煤调湿技术的研究概况

1.2.1 煤调湿技术简介

煤调湿技术是本世纪初炼焦煤资源和能源紧缺的情况下发展起来的，该技术

是对 20 世纪 50 年代发展起来的煤干燥工艺的进一步改进，与煤干燥的区别在于

不追求最大限度的去除装炉煤的水分，而只是将水分维持在相对可控的范围，即

可达到增加效益的目的，又可不因水分过低而引起焦炉生产和煤气回收系统操作

的困难。煤调湿与煤预热、煤干燥有着本质的区别，煤预热是将入炉煤在装炉前

用热载体（气体或固体）快速加热到热分解开始前温度（150℃～250℃），此时

煤水分为零，然后装炉炼焦；煤干燥没有严格水分控制措施。而煤调湿有严格水

分控制措施，能够确保装炉煤水分稳定。

煤调湿技术主要具有以下优点：

1、降低炼焦耗热量。采用煤调湿技术后，装炉煤含水量每降低 1%，炼焦耗

热量降低 62MJ/t（干煤）。当装炉煤含水量由 11%降至 6%时，相当于炼焦耗热

量节约了 11%。

2、缩短结焦时间。每降低 1%的装炉煤水分，可缩短结焦时间 10-15min，

因此可增加每天的出焦孔数，提高焦炭产量。

3、增加堆积密度。据测算，装炉煤水分每降低 1%，堆积密度相应增加 1-1.5%，

故在不改变炭化室的有效容积的情况下，可容纳煤的质量增加，达到增产的效果。

4、改善焦炭质量。每降低 1%的装炉煤水分，焦炭强度可增加 0.15%-0.2%，

故可以在保证焦炭质量不变的情况下，多配 5%-8%的弱粘结煤。

5、减轻水处理负荷。由于装炉煤水分降低，剩余氨水量降低，可以减少焦

化污水的处理量。

6、装炉煤水分稳定在 6%时，煤料的堆密度和干流速度最为稳定，这对改善

焦炉的操作状态非常有益，这有利于焦炉的降耗高产。

7、装炉煤水分保持在一稳定值可保持焦炉稳定的操作，延长焦炉的使用寿

命。

煤调湿技术最早始于日本，由于日本是一个能源紧缺国，节能是其基本国策，

为降低冶金炼焦的能耗，日本从上世纪八十年代就开始焦炉煤调湿装置相关技术

的开发和应用，其先后开发的煤调湿技术有：

1、使用热煤油作为载热媒介的多管回转式干燥工艺。使用导热油为载热媒

介，通过吸收烟道换热器和上升管换热器余热，温度提升至 210℃后送至多管回

转式干燥机换热管内，与管外湿煤进行间接热交换。通过调节导热油温度、入口

湿煤量和干燥机的转数等措施使出口干煤含水量达到调湿标准。与湿煤进行换热

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摘要：

摘要我国作为全球焦炭生产、消费和出口大国，炼焦用煤却普遍存在含水量偏高的问题，年平均含水率达11%左右。根据相关资料报道：炼焦过程中煤中水分每增加1%，多耗热能62.0MJ/t(干煤)计算。解决此类问题的方法为使用煤调湿技术。若采用煤调湿技术，将煤中水分由11%降至6%，则可节省炼焦耗热能10.6kgce/t(干煤)，然而炼焦用煤湿度降低后，煤料中细颗粒在运输途中，采用露天方式易扩散至空气中造成污染，采用管道运输方式易发生粉尘爆炸造成安全威胁，同时，炼焦煤中细颗粒增加对焦炉煤气的后续处理也会造成很大影响，故在新型煤调湿工艺（装置）流程中嵌入了细颗粒选粉工序。本文对现有细颗粒选粉装置进行研究，提...

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