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气体的能量方程为：
???fCfVf?Tf????f?Tf?Ts?Tf （3.8）
?????? 气体与焦炭的对流换热系数hv采用Kitaev公式[2]计算，其表达式为:
d211p??hvhv,?75?1????s （3.9）
Vf0.9Tf0.3h?186v,?.75d0p （3.10）
其中，?f为气体的密度，kg/m3；Pf为冷却气体压力，Pa；Vf为气体的速度，m/s；
?s为焦炭密度，kg/m3；Vs为焦炭的速度，m/s；Si为i方向的动量源项，m/s；?为流体黏度，Pa?s；Vi为i方向流体的速度，m/s；?为流体密度，kg/m3；?为孔隙率；dp为焦炭的当量直径，m；Cs为焦炭比热，J/（kg?K）；?s为焦炭导热系数，W/（m?K）；Cf为惰性气体比热，J/（kg?K）；?f为惰性气体导热系数，W/（m?K）；Ts为焦炭的温度，K；Tf为气体的温度，K。
3.4 边界条件
焦炭入口设为速度入口，速度大小由每次的装焦量和装焦周期计算得到，在焦炭自定义项User Scalar1中选择Specified Value，设置焦炭入口温度为1273K。气体入口选择速度入口边界，具体数值可根据实际生产工艺中入口循环风量推算，本文研究对象定义速度大小为0.9m/s，在气体自定义项User Scalar0中选择Specified Value，设置气体入口温度为390K。由于冷却气体出口与大气相通，因此气体出口采用压力出口边界。计算域中对应模型的壁面设置为壁面边界wall。
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4 模拟结果及分析
在干熄焦生产过程中，低温冷却气体和高温红焦进行热交换。当红焦温度冷却到520K以下时，熄焦从干熄炉底部连续地排出，高温红焦周期性地从炉顶加入供给。循环气体达到1083K后从气体出口排出，升温后的气体将热量传给高压水蒸汽后，经过两次除尘进入干熄炉循环使用。在这个连续生产的过程中，循环气体和焦炭的换热可以看作一个准稳态过程，可以进行稳态计算。本文以某钢厂140t/h的干熄焦炉为研究对象，它的具体工艺参数如表4.1所示。
表4.1 干熄焦炉的主要工艺参数
循环风量
3
（m/h） 180000
进口气体温度
（K）
390
焦炭处理能力（t/h）
140
装焦温度（K） 1273
焦炭堆密度
3
（kg/m） 509.6
4.1 结果分析
4.1.1 干熄焦炉内速度场分析
如图4.1所示为干熄焦炉内速度分布云图。
（a）炉内速度分布情况 （b）截面z=0处速度分布
图4.1干熄炉内速度分布云图
根据图4.1（a）分析知，气体从干熄焦炉底部进入冷却室后，绝大多数气体在靠近斜道时速度方向发生了改变，通过斜道转向环形气道最终流出，只有少数气体未发生偏
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流，流入预存室。同时，气体在冷却室的速度基本不变，进入斜道后速度明显增快，越靠近气体出口速度越大，在出口处达到最大流速。由于循环气体在流动过程中会夹带着焦粉，气体流速越大，焦粉对斜道中牛腿的冲刷越严重，因此，斜道中靠近出口的牛腿比远离出口的牛腿更容易损坏，这与实际情况相符，同时为干熄焦炉的设计、建造和维修提供了依据。
根据图4.1（b）分析知，气体在冷却室周边的速度比中心的速度稍快，进入斜道和环形气道后速度明显加快。由于干熄焦内斜道设置在焦炉周边，气体必须先向周边运动，通过斜道进入环形气道流出，从而使得周边的气体速度加快；同时，斜道进口处面积较小且气体出口处压力低，因此气体在斜道和环形气道流动时速度明显加快且发生偏流现象，越靠近气体出口速度越大。气体在预存室不发生流动，速度几乎为零。
4.1.2 干熄焦炉内温度场分析
如图4.2所示为干熄焦炉内截面z=0处冷却气体和焦炭温度场分布云图。比较图4.2
（a）和4.2（b）可知，在冷却室同一位置焦炭温度和冷却气体温度恒不相等，且焦炭温度恒比惰性气体温度高。这是由于在冷却室中气体流速较大，惰性气体和焦炭的热交换未达到平衡。在预存室内惰性气体和焦炭温度几乎相等，这是由于气体在预存室内几乎不流动，与焦炭的热交换达到了平衡状态。结合4.1（b）速度分布图可知，气体和焦炭在冷却室周边的换热较中心好。
（a）冷却气体温度分布 （b）焦炭温度分布
图4.2 冷却气体和温度分布云图
循环气体出口处温度在1096~1140K之间，焦炭出口处温度在510K以下，这与生产现场实测值相符，也说明了该模拟结果的可靠性。
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4.1.3 干熄焦炉内压力场分析
如图4.3所示，为干熄焦炉内压力场分布云图。由图4.3可知，气体压力在靠近斜道时逐渐降低，在环形气道和气体出口处达到最低，这与气体速度分布模拟结果相一致。气体在流动过程中由于受到焦炭的阻碍使气压降低，在斜道和环形气道内气体压降大，有利于气体顺利流出。
图4.3干熄焦炉内压力场分布云图
4.2 不同工艺参数对干熄焦生产的影响
为了达到干熄焦生产工艺要求，同时使换热后的循环气体能具有高品位热量，要求低温气体和高温焦炭进行热交换后，焦炭出口温度降到520K以下，而气体升到1083K以上。影响干熄焦炉内气体和焦炭之间换热的主要工艺参数是气体入口速度和温度。在已有的计算模型上通过改变气体入口速度、温度，考虑气体和焦炭出口温度的变化，分析气体入口速度、温度对干熄焦炉内热交换过程的影响。
4.2.1 气体入口温度对干熄焦生产的影响
气体入口温度分别取380K 、390K 、400K、410K，惰性气体和焦炭热交换达到平衡后，得到的气体出口温度和焦炭出口温度见下表4.2。
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表4.2 气体入口温度的影响
气体入口温度（K）
380 390 400 410
气体出口温度（K）
1114 1116 1118 1120
焦炭出口温度（K）
498 507 516 525
为了更直观地发现入口风温对气体出口温度和焦炭出口温度的影响，将表4.2中的数据绘制成如下图4.4所示折线图。
1210气体出口温度（K）11801150112010901060380390400入口风温（K）410 （a）入口风温对气体出口温度的影响
610焦炭出口温度（K）580550520490460380390400入口风温（K）410 （b）入口风温对焦炭出口温度的影响 图4.4 气体入口温度对换热的影响
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