Modelowanie rozkładu temperatury w piecu koksowniczym

• Autorzy: Kardaś D. , Polesek-Karczewska S. , Mertas B.

Warianty tytułu

EN

Modelling of temperature distribution in a coke oven

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Analiza transportu ciepła w piecu koksowniczym ma istotne znaczenie z punktu widzenia modelowania procesu koksowania, gdyż jakość koksu oraz żywotność baterii koksowniczej zależy przede wszystkim od dynamiki zmian pola temperatury w warstwie wsadu węglowego. Koksowanie jest procesem, któremu towarzyszą nie tylko zjawiska chemiczne, jak piroliza czy reakcje pomiędzy składnikami uwolnionych gazów, ale i zjawiska fizyczne związane z przepływem gazów pirolitycznych, wymianą ciepła i przemianami fazowymi produktów procesu. Kompletny opis wymagałbyzatem zastosowania bardzo złożonych modeli. Prostszym podejściem do zagadnienia modelowania procesu koksowania jest opis wybranego zjawiska. W niniejszej pracy skupiono się na transporcie ciepła. W ogólności, w procesie koksowania udział biorą trzy mechanizmy wymiany ciepła - przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Do celów przedstawionej analizy przyjęto, że transport ciepła odbywa się jedynie na drodze przewodzenia. Zaproponowano uproszczony jednowymiarowy model transportu ciepła w komorze koksowniczej, oparty na konstytutywnym równaniu Cattaneo-Vernotte'a, wiążącym gęstość strumienia ciepła z gradientem temperatury. Warstwę węgla potraktowano jako ośrodek dwuskładnikowy typu ciało stałe-gaz, wprowadzając jego uśrednione (efektywne) własności termofizyczne na podstawie przyjętej porowatości. Postawione zagadnienie brzegowo-początkowe rozwiązano stosując metodę objętości kontrolnych dla równania energii oraz metodę różnic skończonych dla równania ewolucji strumienia. Uzyskane rezultaty wskazały na falowy charakter transportu ciepła w złożu węgla i są jakościowo zgodne z danymi pomiarowymi zamieszczonymi w literaturze.

EN

Due to the fact that coke quality, as well as the coke oven battery life depend mainly on the dynamics of temperature field changes in the coal layer during the coking process, the analysis of heat transfer problem in a coke oven plays a significant role in view of modelling the process. Coking is a process accompanied not only by chemical phenomena such as pyrolysis or reactions between the released gases components, but also by physical ones connected with flow of pyrolytic gases, heat transfer and phase transitions of process products. Thus, complete description would involve application of complex models. The simpler approach is to model coking process basing on the description of chosen phenomenon. Studies reported in the paper focus on the heat transfer problem. Generally, three mechanisms of heat exchange - conduction, convection and radiation - take part in the coking process. For the purpose of presented analysis it was assumed that heat is transferred only by conduction. The one-dimensional model of heat transfer in a coking chamber, based on the constitutive Cattaneo-Vernotte equation for the heat flux density, is proposed in the paper. Coal charge was treated as a two-component medium of type solid-gas and its averaged (effective) thermophysical properties, based on assumed porosity were introduced. Considered boundary-initial value problem was solved applying the Finite Volume Method for the energy balance equation and Finite Difference Method for heat evolution equation. Obtained results indicate on the wavy character of heat transport in a bed of coal and are in qualitative agreement with the measurement data presented in the literature.

Słowa kluczowe

PL

proces koksowania; równanie Cattaneo-Vernotte; czas relaksacji

EN

coking process; Cattaneo-Vernotte equation; relaxation times

• Wydawca: Wydawnictwo Górnicze Sp. z o.o.
• Czasopismo: Karbo
• Rocznik: 2009
• Tom: Nr 3
• Strony: 151--155
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., 4 rys.

Twórcy

autor

Kardaś D.

autor

Polesek-Karczewska S.

autor

Mertas B.

• Instytut Maszyn Przepływowych PAN, Gdańsk,

Bibliografia

• 1. Kardaś D., Ochrymiuk T., Podstawy modelowania procesu koksowania węgla w złożu. Oprać. wew. IMP PAN, nr arch. 776, 2007.
• 2. Amamoto K., Coke strength development in the coke oven. Influence of maximum temperature and heating rate. Fuel, 1998, t. 76(1), s. 17.
• 3. Jenkins D.R., Plastic layer permeability estimation using a model of gas pressure in a coke oven. Fuel, 2001, t. 80, s. 2057.
• 4. Kamiński W., Hyperbolic Heat Conduction Equation for Materials With a Nonhomogeneous Inner Structure. J. Heat Transfer, 1990, t. 112, s. 555.
• 5. Malinowski L., Relaksacyjny model przewodzenia i generacji ciepła. Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej, Instytut Fizyki, Szczecin, 1995.
• 6. Kardaś D., Polesek-Karczewska S., Hiperboliczny model transportu ciepła w komorze koksowniczej. Oprac. wew. IMP PAN, nr arch. 257, 2008.
• 7. Adesanya B.A., Pham H.N., Mathematical modeling of devolatilization of large coal particles in a convective environment. Fuel, 1995, t. 74, s. 896.
• 8. Heidenreich C.A., Yan H.M., Zhang D.K, Mathematical modeling of pyrolysis of large coal particles - estimation of kinetic parameters for methane evolution. Fuel, 1999, t. 78, s. 557.