CN109344523A - 一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法。Fluent软件数值模拟是建立在计算机和数值计算方法(有限体积法)基础上发展而来的。焦炉燃烧过程十分复杂和庞大，故火道循环孔参数的改变在实际焦化过程中是不可能进行的，因此可通过Fluent软件对焦炉火道循环孔位置和尺寸参数进行优化，以达到NOX排放浓度最小。本发明提供的方法在保证焦化温度的前提下，可减少NOX生成，降低NOX出口排放，可为焦炉设计提供理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Fluent软件对焦炉燃烧室火道循环孔优化的方法，属于可燃气体下喷式焦炉领域。
背景技术
当前，环境污染急剧严重，国家和人民对此非常关注，特别是大气污染，严重影响人民的身体健康和对蓝天的渴求。大气污染中NOX是主要污染物之一。焦炉燃烧中会产生大量NOX，其原因是焦炉早期建造时主要是为了满足焦化能力，而忽略了排放气体中NOX对环境的污染。
目前对于工业焦炉燃烧中高浓度NOX的治理主要有：多段加热、废气循环和催化脱硝等手段，其中多段加热和废气循环通过改善纵向温度均匀性而降低火道温度，由此抑制NOX的形成。催化脱硝主要是需要寻找合适的催化剂，但目前催化剂较昂贵并且会存在二次污染。
发明内容
本发明的目的是：对焦炉燃烧室火道循环孔优化以达到NOX排放浓度最小的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据焦炉燃烧室火道循环孔设计图纸，确定基本尺寸参数，基本尺寸参数包括循环孔的位置和尺寸；
步骤2、基于上一步得到的基本尺寸参数，利用ANSYS建立带循环孔的焦炉燃烧室火道等尺寸实体模型；
步骤3、对步骤2得到的等尺寸实体模型划分网格并给予边界命名：入口条件设为入口质量流量，出口条件设为出口压力，墙体温度设置为边界条件；
步骤4、将步骤3得到的网格导入Fluent软件中，利用能量模型、湍流模型、组分模型、辐射模型来求得焦炉燃烧室火道内的温度场和浓度场，在所得到的温度场和浓度场基础上利用NOX生成模型开启NOX生成计算，获得焦炉燃烧室火道内NOX空间分布和NOX出口排放浓度；
步骤5、改变循环孔的位置和尺寸，重复步骤2至步骤4，得到循环孔在不同位置和尺寸下的NOX出口排放浓度，依据NOX出口排放浓度最小为目标，得到在NOX出口排放浓度最小条件下的循环孔的位置和尺寸。
优选地，步骤1中，所述基本尺寸参数还包括焦炉燃烧室火道尺寸及循环孔的个数。
优选地，步骤2中，通过ICEM、TurboGird或者mesh软件对步骤1得到的等尺寸实体模型划分网格。
优选地，步骤2中，对等尺寸实体模型划分网格时，以结构化网格为主。
优选地，步骤4中，所述湍流模型为标准k～ε模型，所述辐射模型为P1模型，所述NOX生成模型为热力型。
Fluent软件数值模拟是建立在计算机和数值计算方法(有限体积法)基础上发展而来的。焦炉燃烧过程十分复杂和庞大，故火道循环孔参数的改变在实际焦化过程中是不可能进行的，因此可通过Fluent软件对焦炉火道循环孔位置和尺寸参数进行优化，以达到NOX排放浓度最小。本发明提供的方法在保证焦化温度的前提下，可减少NOX生成，降低NOX出口排放，可为焦炉设计提供理论指导。
附图说明
图1是本发明实施例的焦炉燃烧室火道俯视图，图中，L1为墙体长度＝830mm，W1为墙体宽度＝850mm；
图2是本发明实施例焦炉燃烧室循环孔实际结构和尺寸，图中，H1为墙体高度＝5840mm，H2为火道循环孔高度＝244mm，L2为火道循环孔长度＝112mm，L为循环孔间距长度＝200mm，H为循环孔距离火道底部高度＝122mm；
图3是本发明实施例不同参数下循环孔结构尺寸图，其中，L可取0、50、100、150、200，H可取0、30、50、100、122、150，二者组合共形成30种结构尺寸；
图4是本发明实施例不同循环孔结构尺寸下出口处NOX出口排放浓度图。
图5是本发明实施例最优循环孔结构和尺寸。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供了一种基于Fluent软件对焦炉燃烧室火道循环孔优化的方法，其基本思路是：以焦炉燃烧排放NOX浓度最小为目标，不断改变循环孔的位置和尺寸，找到NOX出口浓度为最小条件下的最优循环孔结构和尺寸。具体包括如下步骤：
步骤1、根据焦炉燃烧室火道循环孔设计图纸，确定基本尺寸参数，基本尺寸参数包括焦炉燃烧室火道基本尺寸及循环孔的个数、位置和尺寸；
步骤2、基于上一步得到的基本尺寸参数，利用ANSYS建立带循环孔的焦炉燃烧室火道等尺寸实体模型；
步骤3、通过ICEM、TurboGird或者mesh软件对步骤2得到的等尺寸实体模型划分网格(以结构化网格为主)并给予边界命名：入口条件设为入口质量流量，出口条件设为出口压力，墙体温度设置为边界条件；
步骤4、将步骤3得到的网格导入Fluent软件中，利用能量模型、湍流模型(标准k～ε模型)、组分模型、辐射模型(P1模型)来求得焦炉燃烧室火道内的温度场和浓度场，在所得到的温度场和浓度场基础上利用NOX生成模型(热力型)开启NOX生成计算，获得焦炉燃烧室火道内NOX空间分布和NOX出口排放浓度，其中连续方程：
式(1)中，ρ表示密度(kg·m-3)，t表示时间，ui表示流体的第i个速度(m·s-1)，xi表示流体的第i个位置方向。
动量方程：
式(2)中，p表示压强(Pa),μ表示粘性系数(Pa·s)。
能量方程：
式(3)中，H表示焓(J·kg-1)，λ表示导热系数((W·m-1·K-1)，Cp表示比热容(J·kg-1·K-1)。
标准k-ε模型：
式(4)、(5)中，k表示湍流动能(m2·s-1)，Cμ表示经验常数，ε表示湍流动能耗散率(m2·s-1)，σk＝1.0，Gk表示由层流速度梯度而产生的湍动能(kg·m-1·s-1)，Gb表示由浮力产生的湍动能(kg·m-1·s-1)，YM表示可压缩湍流中过渡扩散产生的波动(kg·m-1·s-3)，C1ε、C2ε、C3ε是常量,C1ε＝1.44,C2ε＝1.92,C3ε＝0.09,σε＝1.3。
燃烧模型：
式(6)中，表示混合分数的时均值(％)，σt表示常数，Ss表示质量源项。
辐射模型：
式(7)、(8)中，qr表示辐射能量(W)，α表示辐射吸收系数(m-1)，σs表示辐射散射系数(m-1)，C表示线性各相异性相位函数系数，G表示入射辐射，σ表示Stephen-Boltzmann常数(W·m-2·K-4)，SG表示辐射源相。
NOX模型：
O+N2→N+NO
N+O2→O+NO
N+OH→H+NO
上式为热力型NOX的反应机理。
NOX生成模型：
式(9)中，[NO]表示NO浓度，kf，1、kf，2、kf，3表示正向反应速率常数，kr，1、kr，2表示逆向反应速率常数，[O]表示O浓度，[N2]表示N2浓度。
步骤5、改变循环孔的位置和尺寸，重复步骤2至步骤4，得到循环孔在不同位置和尺寸下的NOX出口排放浓度，依据NOX出口排放浓度最小为目标，得到在NOX出口排放浓度最小条件下的循环孔的位置和尺寸。
具体结合下面实施例对本发明做进一步说明：对某钢企的7m焦炉火道循环孔优化方法的具体实例如图1至图3所示。从图4中，可以看出在循环孔L＝0，H＝30mm的结构处，NOX的出口排放浓度最小，故L＝0、H＝30mm的循环孔结构为最优循环孔结构。如图5所示，此最优循环孔结构和尺寸下NOx的出口平均浓度比某钢企的7m焦炉燃烧室实际火道循环孔下的NOX的出口平均浓度低44％。
Claims (5)
1.一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据焦炉燃烧室火道循环孔设计图纸，确定基本尺寸参数，基本尺寸参数包括循环孔的位置和尺寸；
步骤2、基于上一步得到的基本尺寸参数，利用ANSYS建立带循环孔的焦炉燃烧室火道等尺寸实体模型；
步骤3、对步骤2得到的等尺寸实体模型划分网格并给予边界命名：入口条件设为入口质量流量，出口条件设为出口压力，墙体温度设置为边界条件；
步骤4、将步骤3得到的网格导入Fluent软件中，利用能量模型、湍流模型、组分模型、辐射模型来求得焦炉燃烧室火道内的温度场和浓度场，在所得到的温度场和浓度场基础上利用NOX生成模型开启NOX生成计算，获得焦炉燃烧室火道内NOX空间分布和NOX出口排放浓度；
步骤5、改变循环孔的位置和尺寸，重复步骤2至步骤4，得到循环孔在不同位置和尺寸下的NOX出口排放浓度，依据NOX出口排放浓度最小为目标，得到在NOX出口排放浓度最小条件下的循环孔的位置和尺寸。
2.如权利要求1所述的一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法，其特征在于，步骤1中，所述基本尺寸参数还包括焦炉燃烧室火道尺寸及循环孔的个数。
3.如权利要求1所述的一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法，其特征在于，步骤2中，通过ICEM、TurboGird或者mesh软件对步骤1得到的等尺寸实体模型划分网格。
4.如权利要求1所述的一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法，其特征在于，步骤2中，对等尺寸实体模型划分网格时，以结构化网格为主。
5.如权利要求1所述的一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法，其特征在于，步骤4中，所述湍流模型为标准k～ε模型，所述辐射模型为P1模型，所述NOX生成模型为热力型。
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