一种基于Fluent软件对焦炉火道循环孔优化的方法与流程

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。

技术实现要素：

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％。