数值模拟技术在焦炉上应用的现状及发展趋势

庞克亮，刘福军，王超，武吉，蔡秋野

（1.鞍钢集团北京研究院有限公司，北京 102211；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

根据国家统计局发布数据显示，2019年中国焦炭产量为4.71亿t，同比增长5.2%，约占世界焦炭总产量的70%。目前，双联式火道焦炉是生产焦炭的主要设备，它由炭化室和燃烧室依次相间组成，燃烧室内燃料燃烧特性直接决定焦炭的均匀成熟度。之前，燃烧室内部燃烧特性仅通过一个参数指标即鼻梁砖温度来体现，操作人员不能掌握内部具体的燃烧状态。但随着计算机技术和数值求解方法的快速发展，借助于数值模拟分析手段，焦炉燃烧室的燃烧特性越来越清晰化的展现在操作者面前。20世纪20年代开始，焦炉传热过程的数学模型就已经被提出并延用至今。焦炉应用数值模拟技术主要通过数值计算和图像显示方法将焦炉内部实际状态以 “可视化”的形式展现出来，明晰炭化室内部的成层结焦过程和燃烧室内部的气体燃烧特性。随着科学技术的发展，数值模拟在焦炉上的应用已取得了很大进步。

1 数值模拟在燃烧室降氮技术中的应用

根据2019年生态环境部等五部委联合印发的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中的规定，焦炉烟气中氮氧化物的限值为150 mg/m（基准含氧量8%）。同时，随着国家环保力度的加大，对焦炉中氮氧化物的排放控制也日益严格。

钟英飞对焦炉燃烧过程中氮氧化物的形成机理进行了总结，主要分为温度热力型NO、碳氢燃料快速型NO和含N组分燃料型NO三种类型。其中，温度热力型NO是焦炉氮氧化物的主要来源。显然，上述结论对后续数值模拟在降低氮氧化物排放方面具有重大影响。现阶段，为削减烟气中氮氧化物的排放，国内焦炉燃烧室在设计方面采取的降氮技术主要有废气循环技术、分级燃烧技术以及二者相结合的技术等。

1.1 废气循环技术

废气循环分为烟气内循环和烟气外循环。常见JN型焦炉内部设有内循环孔，烟气由下降立火道经内循环孔进入上升立火道内，称为烟气内循环。此外，部分烟气伴随助燃空气进入上升立火道内，称为烟气外循环。烟气循环采用循环倍率参数来表征，循环倍率是废气循环量与燃烧产生废气总量的比值。生产实际中，废气循环倍率是一个重要参数。

烟气内循环主要采用卷吸方式，通过将烟气经内循环孔卷吸进入上升立火道内，加强烟气和上升立火道内气体的掺混和稀释。由于操作条件的限制，烟气内循环倍率不能实现定量调节，因此，考虑借助于数值仿真在定性的基础上实现定量。 冯妍卉团队、Zhang Ting等人利用数值模拟分析手段对燃烧室烟气内循环作了详细研究。冯妍卉等人通过燃烧室-炭化室耦合计算得出，在满足焦炭成熟和氮氧化物排放标准的前提下，传统焦炉的内循环倍率为46%，与现场实测值50%较为接近。可以看出，数值模拟能够在一定程度上为现场生产提供技术参考。

很多学者在烟气内循环的基础上提出了烟气外循环，即在助燃空气中掺混一定量的低温废气。采用内循环和外循环相结合的方式可大幅度降低废气中氮氧化物的含量。 李红、孟得慧等人对废气外循环作了深入研究。李红等人利用FLUENT软件对焦炉立火道烟气外循环进行了模拟计算，提出外循环倍率控制在5%～10%可有效将氮氧化物控制在国家排放标准以内，且不影响煤气燃烧效率。

1.2 分级燃烧技术

伴随着焦炉大型化、流程高效洁净化的发展趋势，技术也在不断创新与进步，分级燃烧技术就是其中之一，其最初在美国发展，在大容积焦炉降低氮氧化物排放过程中起到了很重要的作用，如今已广泛应用于各个行业，如航空航天领域、水泥领域、发电领域等，且都取得了良好的环保效果和经济效益。

分级燃烧技术在焦炉上的应用主要体现在空气或空气和高炉煤气的分段加热，通过在燃烧室立火道之间按一定比例增设入口通道，达到拉长火焰、改善高向温度分布和降低污染物的目的。Weiss Christian、Taniguchi M等人利用数值模拟和试验方法对分级燃烧进行了验证，与未分级相比，分级燃烧可有效降低烟气中NO的排放。冯妍卉团队也对大容积高炉分级燃烧进行了仿真计算，结果表明，分级燃烧不仅可降低氮氧化物，还可降低废气循环倍率，使其由传统下喷式焦炉的46%降低至35%。由此可见，对于大容积焦炉而言，分级燃烧技术是降低氮氧化物的有效措施。

2 数值模拟在炭化室传热过程中的应用

现代JN型蓄热式焦炉主要由燃烧室和炭化室依次相间组成，是一个复杂的高温化学反应容器。炭化室内煤粉干馏所需热量来源于燃烧室内部煤气的燃烧，通过热传导和热辐射等传热方式经中间硅砖隔墙将热量传递给炭化室。热量从两侧炉墙通过煤料传至炭化室中心，从中心到炉墙依次分布着湿煤层、干煤层、塑性层、半焦层和焦炭层。炭化室内各部位同时进行着不同的成焦阶段，即成层结焦，但随后又依次消失，当中心温度达到950～1 050℃时，认为焦炭成熟。基于上述背景，利用数值模拟方法搭建炭化室数理模型，对炭化室内的传热过程进行仿真计算，给予现场操作以理论借鉴。

随着技术的不断创新，焦炉炭化室传热过程数学模型也在不断变革。由田代清等人提出的常物性炭化室传热模型，到西德Rohde等人建立的变物性炭化室传热模型，再到现在的炭化室-燃烧室耦合三维模型，由单室计算到多室耦合，已经越来越接近于焦炉生产的实际情况。同时，传热机理和焦化机理也在不断在深入，研究手段不断革新，这其中数值模拟发挥了不可或缺的作用。

Zhang Qinghuan等人利用数值仿真软件，搭建炭化室-燃烧室三维耦合模型，分析了炭化室温度对结焦过程的影响。谢安国团队采用模拟软件建立了炭化室-燃烧室耦合的三维非稳态数理模型，重点考察了温度随时间的变化，并分析了不同蒸发模型、不同煤料初始温度、不同煤料密度、不同水分含量因素下，炭化室中心温度的变化，给出6 m焦炉结焦时间约为20 h左右。

此外，冯妍卉团队在模拟焦炉热过程的同时，探讨了简化计算的解耦算法，有效减少了计算量，为多室耦合的数值模拟提供了理论参考。解耦算法一示意图见图 1，解耦算法二示意图见图2。

图1 解耦算法一示意图Fig.1 Schematic Diagram for Decoupling AlgorithmⅠ

图2 解耦算法二示意图Fig.2 Schematic Diagram for Decoupling AlgorithmⅡ

在解耦算法一中，炭化室和燃烧室两室隔墙热流密度以恒定热流为初始条件，将炭化室-燃烧室耦合传热过程分解为炭化室内煤粉的非稳态干馏过程和燃烧室内稳态的扩散燃烧过程，对单室进行传热过程模拟计算。在解耦算法二中，将炭化室-燃烧室耦合的传热过程分解为单独燃烧室的煤气燃烧过程和利用燃烧室所产生的烟气向炭化室煤料传热的过程，燃烧室采取稳态计算方法，炭化室部分采取两室“结构耦合”非稳态的数值模拟，不考虑燃烧室燃烧部分。这两种解耦算法中，炭化室和燃烧室看似独立，但内在统一，可明显加快收敛速度。

3 鞍钢目前在焦炉数值模拟方面所做工作

现阶段，焦炉热过程数值模拟采用的软件主要为FLUENT和CFX等，鞍钢集团炼焦团队基于鞍山区域焦炉的生产情况，选择采用FLUENT软件进行模拟计算。FLUENT中有多种化学反应模型可供选择，尤其是湍流状态的燃烧反应模型，一直占有重要地位。FLUENT软件中灵活的非机构化网格和多种求解方法提高了FLUENT在焦炉模拟中的求解精度，且其采用的多重网格加速收敛技术，提高了计算收敛速度，大大缩短了焦炉研究过程中的时间和经费投入。同时，通过模拟计算也可为焦炉试验研究和小焦炉试验提供强有力的技术支撑。

鞍钢集团炼焦团队利用FLUENT软件搭建了适合实际生产的焦炉立火道三维稳态数理模型，采用理论与实践相结合的方式，研究了废气循环倍率、高炉煤气和空气预热温度、焦炉煤气掺混比例对烟气中氮氧化物生成特性的影响，并进一步针对上述参数进行模型优化，将优化后的模型应用于鞍山区域6 m焦炉并指导生产。

氮氧化物含量与外循环倍率之间的关系如图3所示，其中参考面取立火道底部高炉煤气和空气入口中心面。与无废气循环相比，当循环倍率提高到10%时，废气中氮氧化物质量分数从7×10降低至4×10，下降约42%，效果显著。

图3 废气中氮氧化物含量与外循环倍率之间的关系Fig.3 Relationship between Nitrogen Oxide Content in Exhaust Gas and Multiplying Power for External Cycle

不同外循环倍率下的温度云图见图4。无废气循环时，立火道内最高温度为2 081 K，当循环倍率提高到10%时，最高温度降低至2 045 K，下降约2%，氮氧化物含量下降约42%。由此可见，降低温度可有效减少废气中氮氧化物的排放。此外，废气循环技术可稀释燃料和助燃气体浓度，拉长燃烧火焰，使热量在高度方向上更加均匀，提高成焦率。

图4 不同外循环倍率下的温度云图Fig.4 Temperature Nephogram by Different Multiplying Powers for External Cycle

废气循环和分级燃烧均是行之有效的低氮燃烧技术，也是现阶段普遍采取的措施。目前，鞍钢集团鞍山区域焦炉均采用废气循环技术，对于7 m焦炉，也配套和采用了分级燃烧技术，降低污染物效果显著。但7 m或更大容积焦炉二次风和三次风所对应的入口位置即入口分级比例还需更深入研究，以取得更好的降氮效果和高向温度均匀性。可以看出，数值模拟分析方法在焦炉工艺优化上提供了有益参考，也为后续技术创新提供了发展方向。

未来鞍钢集团炼焦团队打算结合鞍钢集团鞍山区域焦炉实际生产参数，以实际炼焦所用单种煤和配合煤指标为主要依据，建立炭化室-燃烧室三维非稳态数理模型，在耦合的条件下，模拟燃烧室内气体燃烧特性和炭化室结焦传热过程。在此基础上，判断焦饼成熟时间并给出理论根据。

4 结论与展望

（1）目前，数值模拟技术在焦炉燃烧室和炭化室的应用中取得了很大进步。结合数值模拟技术，可预判燃烧室烟气中氮氧化物的排放特性；利用炭化室单向传热特点，可模拟炭化室内焦饼成层结焦时的传热过程。

（2）数值模拟在焦炉生产上的应用主要集中在燃烧室和炭化室两部分，由单室计算逐渐发展到多室耦合，标志着焦炉过程数值仿真研究工作逐渐向多室、多因素发展，如直行温度、横排温度等，借助于数值模拟分析手段，可求解全炉燃烧室各测温火道的温度或燃烧室横向各火道的温度。

（3）鞍钢集团炼焦团队针对鞍钢集团鞍山区域6 m焦炉实际操作参数，搭建了描述焦炉燃烧室立火道内部传热、传质及燃烧等过程的三维稳态数理模型，将数值模拟与现场操作有机结合，推动炼焦工艺取得更大进步。