基于冷卻數值模擬的帶冷機余熱循環風供風方式優化

楊國慶，鄭 濤，孫聲玉，李 寧，胡小扣，馬 鵬

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司煉鐵總廠，安徽 馬鞍山 243000）

燒結工序是鋼鐵生產流程中的重要環節，其能耗約占整個鋼鐵企業能耗的10%～15%。燒結工序的余熱資源包括燒結礦顯熱和燒結煙氣余熱，燒結中50%左右的熱量存在于燒結的煙氣和冷卻機的廢氣中，所以該部分余熱回收的潛力比較大，許多燒結廠會配備余熱回收發電系統。對于燒結礦的冷卻過程，國內外學者數值仿真研究較多。Caputo[1]提出了空氣與固體燒結礦的換熱一維穩態數學模型。Pelagagge[2-3]提出了余熱回收研究的二維熱交換模型。Leong[4]等人將燒結礦看作多孔介質區域，以局部熱平衡理論對燒結礦氣-固換熱進行模擬。為解決馬鋼燒結帶冷機余熱發電偏低的問題，本文基于燒結冷卻數值模擬對帶冷機余熱循環風的供風方式進行計算優化。

1 燒結礦冷卻過程的數學模型

1.1 物理模型

帶冷機可視為固定床，以空氣為冷卻介質，由底部自下而上強制鼓風，燒結礦熱量以對流的方式傳遞給通過料層的冷卻介質。根據現場調研的臺車及風箱的幾何尺寸，建立和現場同比例大小的幾何模型（見圖1）。

圖1 臺車風箱物理模型

1.2 控制方程

1.2.1 氣體連續性方程

式中：ρg為混合氣體的密度，kg/m3；為氣相表觀速度矢量，m/s；εs為燒結礦的孔隙率；?為哈密頓算子；t 為時間，s。

1.2.2 能量守恒方程

1）氣相能量方程：

式中：Tg為氣體的溫度，K；Ts為固體物料的溫度，K；Cg為氣體的比熱容，J/（kg·K）；As為多孔介質的比表面積，m2/m3；heff為等效對流換熱系數，W/（m2·K）。

2）固相能量方程：

式中：ρb為固體物料的堆密度，kg/m3；C'g為固體物料的當量熱容，J/（kg·K）。

1.2.3 動量守恒方程

采用FLUENT 軟件的多孔介質模型，即在定義為多孔介質的區域結合了一個流動阻力，在動量方程上疊加了一個動量源項。源項由兩部分組成，即黏性損失項和慣性損失項。根據牛頓第二定律，動量方程如下：

式中：ρ 為堆密度，kg/m3；p 為壓力，Pa；為黏性應力張量；為多孔介質附加的動量源項，源項由兩部分組成，一部分是黏性損失項，另一部分是慣性損失項。

1.3 模擬條件與模型求解

初始值為帶冷機入口處的溫度，即高溫燒結礦溫度；邊界值為冷卻介質流速，即帶冷機臺車底部入口冷卻風速，冷卻介質溫度為帶冷機臺車底部入口冷卻風溫度；臺車頂部出口采用壓力出口邊界條件，設置為0。對流換熱系數采用Caputo 公式進行計算，對控制方程進行離散求解，在設置求解器時選擇非定常流、k-ε 湍流模型、離散采用二階差分格式，速度壓力耦合選用SIMPLE 算法，連續性方程、動量方程和組分守恒方程收斂殘差標準均為10-3，能量方程收斂殘差標準均為10-6，時間步長取0.02 s。

2 循環熱風點改變對燒結礦冷卻過程的影響

將余熱鍋爐排放的煙氣通過循環風機引入到帶冷機風管系統中，和鼓風機鼓入的冷風摻混后冷卻燒結礦。這樣可使回收的煙氣溫度升高，提高煙氣品質?，F場3 號煙囪余熱直接排放，根據現有的供風方式（見圖2）所得模擬結果（見圖3）可知，在第三節風管處的循環熱風并未利用上。

圖2 工業現場帶冷供風及余熱回收系統示意圖

圖3 工業現場條件下模擬結果圖

因此，為了探究循環熱風引入點放在何處可以提高余熱回收效率，提出4 種方案進行模擬分析，并對比結果。

2.1 方案一：循環熱風集中前移供風方式1

該方案將兩股循環熱風集中放置于第一節風箱，其供風方式示意圖和模擬結果如圖4、圖5 所示。

從圖4、圖5 可以看出，煙氣溫度和燒結礦溫度隨著臺車的運動不斷降低，循環風機回收的熱風提高了燒結礦底部的溫度，但未能提高煙氣出口溫度及燒結礦上部的溫度。分析其原因為：在前段供熱風時，高溫燒結礦和高溫空氣溫差小，相比之下換熱效果不明顯。

圖4 循環熱風集中前移供風方式示意圖

圖5 循環熱風集中前移供風方式模擬結果

第一節風箱集中供熱后，第二節和第三節風箱的風量比原來的供風方案的風量減少，為了平衡風量減少引起的余熱回收量的減少，故在方案一的基礎上添加如下兩個補充方案，以對比風量引起的余熱回收誤差。

補充方案1：將兩股循環熱風集中放置于第一節風箱，并將1 號鼓風機冷風鼓入第二節風箱處，其供風方式示意圖和模擬結果如圖6、圖7 所示。

圖6 方案一（補充方案1）循環熱風集中前移供風方式示意圖

圖7 方案一（補充方案1）循環熱風集中前移供風方式模擬結果

補充方案2：將兩股循環熱風集中放置于第一節風箱，并將1 號鼓風機冷風鼓入第三節風箱處，其供風方式示意圖和模擬結果如下頁圖8、圖9 所示。

圖8 方案一（補充方案2）循環熱風集中前移供風方式示意圖

圖9 方案一（補充方案2）循環熱風集中前移供風方式模擬結果

2.2 方案二：循環熱風交叉前移供風方式1

該方案將兩股循環熱風交叉放置于第一節風箱和第二節風箱前半段，其供風方式示意圖和模擬結果如圖10、圖11 所示。

圖10 方案二循環熱風交叉前移供風方式示意圖

圖11 方案二循環熱風交叉前移供風方式模擬結果

從圖10、圖11 可以看出，煙氣溫度和燒結礦溫度隨著臺車的運動不斷降低，隨著循環風機回收的熱風的引入，溫度曲線發生了局部的提升，可以看到供熱風處的第一節風箱前半段及第二節風箱前半段的燒結礦溫度以及煙氣出口溫度都有所提高，說明引入循環熱風對溫度的提高有一定的效果。

2.3 方案三：循環熱風交叉前移供風方式2

該方案將兩股循環熱風交叉放置于第一節風箱和第二節風箱后半段，其供風方式示意圖和模擬結果如圖12、圖13 所示。

圖12 方案三循環熱風交叉前移供風方式示意圖

圖13 方案三循環熱風交叉前移供風方式模擬結果

從圖12、圖13 可以看出，煙氣溫度和燒結礦溫度隨著臺車的運動不斷降低，同上述方案一樣，隨著循環風機回收的熱風的引入，溫度曲線發生了局部的提升，可以看到供熱風處的第一節風箱后半段及第二節風箱后半段的燒結礦溫度以及煙氣出口溫度都有所提高，說明引入循環熱風對溫度的提高有一定的效果。

2.4 方案四：循環熱風集中供風方式2

該方案將兩股循環熱風集中放置于第二節風箱，其供風方式示意圖和模擬結果如圖14、圖15 所示。

圖14 方案四循環熱風集中供風方式示意圖

圖15 方案四循環熱風集中供風方式模擬結果

從圖14、圖15 可以看出，煙氣溫度和燒結礦溫度隨著臺車的運動不斷降低，循環風機回收的熱風提高了燒結礦下部的溫度，但未能提高煙氣出口溫度及燒結礦上部的溫度。

與方案一同樣，第二節風箱集中供熱后，第三節風箱的風量比原來的供風方案風量有所減少，為了平衡風量減少引起的余熱回收量的減少，故在方案一的基礎上添加如下一個補充方案，以對比風量引起的余熱回收誤差。

補充方案1：將兩股循環熱風集中放置于第二節風箱，并將2 號鼓風機放置于第三節風箱處，供風方式示意圖和模擬結果如圖16、圖17 所示。

圖16 方案四（補充方案1）循環熱風集中供風方式示意圖

圖17 方案四（補充方案1）循環熱風集中供風方式模擬結果

2.5 方案對比分析

對比集中供熱和交叉供熱兩種方式，可以得出燒結礦底部溫度都有所提高，但煙氣溫度和燒結礦上部溫度變化有所不同。當集中供熱時，煙氣溫度和燒結礦上部溫度并未見提高；當交叉供熱時，煙氣溫度和燒結礦上部溫度有明顯提高。為了進一步分析循環熱風引入點的不同對余熱產生的影響，對上述4 種方案及原方案進行對比分析，通過計算達到余熱回收煙氣標準溫度下噸礦回收煙氣熱量大小來反映方案的優與劣。5 種供風方式煙氣出口溫度變化曲線如圖18 所示。

圖18 5 種供風方式煙氣出口溫度變化曲線

從圖18 可以看出，根據達到余熱鍋爐回收煙氣溫度標準為300 ℃左右，通過計算不同方案煙氣溫度達到300 ℃時回收的煙氣熱量，同時已知燒結礦的日產量，從而得出噸礦余熱回收熱量。

圖19 是5 種方案供風方式計算出的噸礦回收熱量，從圖中可以看出，5 種方案的平均噸礦回收熱量為0.45 GJ/t，方案一至方案四與原方案相比噸礦回收熱量均有不同程度的增長，其中方案一的補充方案1 增長率最大為17.7%，其次是方案二增長率為15.2%，方案一增長率為8.27%，最后是方案三的增長率為3.28%。

圖19 5 種供風方式噸礦回收熱量對比

3 結論

1）通過冷卻數值模型計算結果表明：熱風前移確實能夠提高燒結礦和空氣的換熱能力，使回收余熱煙氣的熱量有所提高，但循環熱風交叉前移可使燒結礦與空氣換熱程度更好。主要原因為熱風集中前移供熱時，燒結礦也處于較高溫狀態，空氣和燒結礦溫差較小，換熱效果不佳；反而熱風交叉前移供熱方式效果較好，一方面是因為熱風和冷空氣預混降低溫度，增大換熱溫差，另一方面熱風供熱段增長，燒結礦熱量緩慢釋放，保證高溫煙氣產量增多。

2）方案一至方案四與原方案相比，噸礦回收熱量均有不同程度的增長，其中方案一的補充方案1 增長率最大為17.7%。建議將目前的余熱循環風進風方式按方案一進行優化，可顯著提高余熱噸礦發電量。