余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦顯熱回收的實(shí)驗(yàn)分析

果晶晶， 趙 鑫， 陳 健

（1.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源與環(huán)境工程系， 河北 邢臺(tái) 054035；2.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院會(huì)計(jì)系， 河北 邢臺(tái)054035；3.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司， 河北 邢臺(tái) 054025）

鋼鐵生產(chǎn)中產(chǎn)生余熱的高效回收利用是鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的重要方向之一。其中，因?yàn)闊Y(jié)工序消耗大量能源，且燒結(jié)礦大量余熱被浪費(fèi)，成為了余熱高效回收利用中亟待解決的問(wèn)題[1-2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究重點(diǎn)放在如何利用燒結(jié)礦顯熱產(chǎn)生蒸汽，以供發(fā)電或連入蒸汽管網(wǎng)[3-5]；但在工業(yè)應(yīng)用中，卻因燒結(jié)礦顯熱品位低，無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定供給，冷卻機(jī)漏熱嚴(yán)重[6]等問(wèn)題，尚無(wú)經(jīng)濟(jì)有效的措施加以解決，使得燒結(jié)礦顯熱高效回收利用工作推進(jìn)困難。同時(shí)，國(guó)內(nèi)已建成投產(chǎn)的燒結(jié)礦余熱發(fā)電項(xiàng)目中，因電站運(yùn)行和參數(shù)選取等缺乏理論支撐，無(wú)法成熟應(yīng)用，余熱鍋爐成套產(chǎn)品尚存較大改善的空間。此外，對(duì)于燒結(jié)礦余熱回收工作也缺乏完整統(tǒng)一的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)[7-9]。

燒結(jié)工序中，高溫?zé)Y(jié)礦冷卻過(guò)程產(chǎn)生了大量余熱，這部分余熱若能夠有效回收利用，對(duì)于鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展前景意義重大。本文參考焦炭行業(yè)的“干熄焦罐”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)燒結(jié)礦余熱罐模型，搭建燒結(jié)礦顯熱回收的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)定12 組不同工況，分析了入口風(fēng)溫、入口流速、料層厚度分別對(duì)燒結(jié)礦冷卻效率及燒結(jié)礦火用（EX）回收利用率的影響。為燒結(jié)礦顯熱的高效回收提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 燒結(jié)礦余熱回收的實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 燒結(jié)礦余熱回收的實(shí)驗(yàn)裝置與方法

本文提出在帶式燒結(jié)機(jī)尾部設(shè)置一個(gè)圓柱形的大料罐，將其稱之為“燒結(jié)礦余熱罐”，具體模型如圖1 所示，熾熱的燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)機(jī)尾下落到余熱罐，與從罐底鼓入的氣體之間進(jìn)行熱量的交換，熱氣體被導(dǎo)入余熱利用裝置。

圖1 燒結(jié)礦余熱罐的幾何模型

燒結(jié)礦在余熱罐內(nèi)冷卻過(guò)程是一個(gè)高溫、非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程。為獲得準(zhǔn)確、科學(xué)數(shù)據(jù)，余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦顯熱回收實(shí)驗(yàn)裝置按照相似原理搭建；同時(shí)，設(shè)計(jì)、連接變頻風(fēng)機(jī)、熱電偶組、熱交換器對(duì)冷卻過(guò)程溫度速度等參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。如下頁(yè)圖2 所示，搭建的燒結(jié)礦顯熱回收實(shí)驗(yàn)裝置包括變頻風(fēng)機(jī)、空氣加熱器、燒結(jié)礦余熱罐換熱本體、空/液換熱器和熱電偶組、電阻加熱爐、以及各種閥門等所組成。使用電阻加熱爐將企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲得的燒結(jié)礦加熱到900 ℃并均溫，然后借助吊車將高溫?zé)Y(jié)礦從余熱罐的頂部裝入罐體，按照既定的工況參數(shù)從余熱罐的底部向罐內(nèi)鼓入氣態(tài)冷卻介質(zhì)（即空氣），鼓入的冷卻介質(zhì)與高溫?zé)Y(jié)礦之間進(jìn)行氣/固熱量交換，高溫?zé)Y(jié)礦向外放出熱量，溫度降低；冷卻介質(zhì)吸收高溫?zé)Y(jié)礦的熱量，溫度升高，高溫的冷卻介質(zhì)流過(guò)空/液換熱器后排放到大氣。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)定

本研究改變冷卻介質(zhì)的入口溫度、冷卻介質(zhì)入口流度、料層厚度三個(gè)燒結(jié)生產(chǎn)工藝參數(shù)來(lái)研究其對(duì)燒結(jié)礦冷卻換熱過(guò)程中的影響，設(shè)定的主要工況參數(shù)如表1 所示。

表1 燒結(jié)礦冷卻實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)的設(shè)定

2 試驗(yàn)結(jié)果的討論與分析

2.1 燒結(jié)礦顯熱回收的評(píng)估參數(shù)

在一定的環(huán)境條件下，系統(tǒng)所提供的熱量可轉(zhuǎn)化為有用功的最大值用火用（EX）[10]來(lái)表示。當(dāng)有機(jī)械能損失時(shí)，系統(tǒng)的作功能力下降，出現(xiàn)火用損[11]。為了更好地研究燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦與空氣的換熱效果，本研究采用冷卻效率和燒結(jié)礦EX回收率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)燒結(jié)礦顯熱回收效果的好壞。

冷卻效率：

式中：Tout，j為某一時(shí)刻冷卻介質(zhì)的出口溫度，℃；Tin為冷卻介質(zhì)入口溫度，℃；Tave為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高溫冷卻介質(zhì)出口溫度的平均值，℃。

燒結(jié)礦EX回收率：

2.2 冷卻介質(zhì)入口溫度的影響分析

試驗(yàn)工況1-4（見(jiàn)表1）為冷卻介質(zhì)入口流速9m/s、料層厚度為1 140 mm 情況下改變?nèi)肟诶鋮s介質(zhì)溫度從50 ℃、60 ℃、70 ℃到90 ℃的情況，其冷卻效率及EX回收率如下頁(yè)圖3 所示。如圖3-1 所示，冷卻開(kāi)始時(shí)，燒結(jié)礦余熱罐頂部出口處高溫冷卻介質(zhì)的溫度達(dá)到最大值；1-4 四種工況在冷卻前期燒結(jié)礦的冷卻效率較高，冷卻后期的冷卻效率較低，燒結(jié)礦的冷卻效率隨冷卻時(shí)間的增加大體呈下降的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，燒結(jié)礦的溫度在不斷地下降，致使高溫冷卻介質(zhì)的出口溫度隨之下降，冷卻后期燒結(jié)礦的冷卻效率減弱。由圖3-2 可知，燒結(jié)礦EX回收利用率隨著冷卻介質(zhì)入口溫度的增加，先增加后減小，在空氣入口溫度為70 ℃時(shí)達(dá)到最大值。究其原因?yàn)橛酂峁奕肟谔幚鋮s介質(zhì)溫度增加，出口高溫冷卻介質(zhì)溫度隨之增加，燒結(jié)礦EX回收利用率提高；隨著余熱罐入口冷卻介質(zhì)溫度繼續(xù)增大，燒結(jié)礦與冷卻介質(zhì)之間的溫差縮小，兩者的對(duì)流換熱強(qiáng)度減弱，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明冷卻介質(zhì)入口溫度為70 ℃時(shí)，燒結(jié)礦EX回收利用率出現(xiàn)峰值。

圖3 冷卻介質(zhì)入口溫度對(duì)燒結(jié)礦氣/固換熱的影響

2.3 冷卻介質(zhì)入口速度的影響分析

試驗(yàn)工況5-8 見(jiàn)表1 為冷卻介質(zhì)入口溫度90℃、料層厚度為1 140 mm 情況下改變?nèi)肟诶鋮s流速?gòu)? m/s、8 m/s、9 m/s 到10 m/s 的情況，其冷卻效率及EX回收率如圖4 所示。隨冷卻時(shí)間的增加，燒結(jié)礦的冷卻效率大體呈下降的趨勢(shì)；冷卻前期，燒結(jié)礦的冷卻效率隨著入口流速的增加而增加，冷卻后期冷卻效率隨著入口流速的增加略有降低。由圖4-2可知，燒結(jié)礦EX回收利用率隨著冷卻介質(zhì)入口流速的增加而增加，并在工況8 冷卻介質(zhì)入口流速為10 m/s 時(shí)達(dá)到最大值其原因?yàn)槔鋮s介質(zhì)入口流速的增加，強(qiáng)化了空氣和燒結(jié)礦之間的對(duì)流換熱，從而在料層厚度和入口冷卻介質(zhì)溫度不變的條件下，余熱罐的冷卻效率和燒結(jié)礦的EX回收利用率隨著冷卻介質(zhì)入口流速的增大而增大。

圖4 冷卻介質(zhì)入口速度對(duì)燒結(jié)礦氣/固換熱的影響

2.4 燒結(jié)礦料層厚度的影響分析

試驗(yàn)工況9-12 為冷卻介質(zhì)入口溫度90 ℃、流速9 m/s 的情況下，實(shí)驗(yàn)研究710 mm、850 mm、1 140 mm、1 400 mm 四種不同燒結(jié)礦料層厚度的情況，如圖5所示。如圖5-1 所示，燒結(jié)礦的冷卻效率隨其料層厚度的增加而增加，這是因?yàn)闊Y(jié)礦料層厚度增加，冷卻介質(zhì)與燒結(jié)礦之間的的對(duì)流換熱時(shí)間延長(zhǎng)、熱量交換較為充分；圖5-2 顯示，燒結(jié)礦EX回收利用率的變化趨勢(shì)為隨著料層厚度的增加先增加后降低。這是因?yàn)殡S著料層厚度的增加，冷卻介質(zhì)流經(jīng)燒結(jié)礦的阻力也隨之增加，EX回收利用率降低，由此可以看出燒結(jié)礦料層厚度并非越高越好，而是存在一較佳的料層厚度，在本研究試驗(yàn)工況下850 mm 的料層厚度所對(duì)應(yīng)的燒結(jié)礦EX回收利用率達(dá)到峰值。

圖5 料層厚度對(duì)燒結(jié)礦氣/固換熱的影響

3 結(jié)論

1）燒結(jié)礦冷卻效率隨時(shí)間延長(zhǎng)不斷降低；較低的入口溫度在冷卻開(kāi)始時(shí)具有較高的冷卻效率；冷卻介質(zhì)入口溫度升高，燒結(jié)礦EX回收率先增加后降低，并于70 ℃時(shí)達(dá)到EX回收率峰值。

2）燒結(jié)礦的冷卻效率在冷卻剛開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，較大的冷卻速度具有較高的冷卻效率；隨著冷卻的進(jìn)行，反而較小的空氣入口速度的冷卻效率高一些，直至冷卻的后期；冷卻介質(zhì)入口流速提高，EX回收率升高。

3）燒結(jié)礦料層厚度增加，EX回收率先增加后降低，并于850 mm 達(dá)到峰值。