燒結礦余熱罐結構分析★

果晶晶

（河北科技工程職業技術大學資源與環境工程系， 河北 邢臺 054035）

燒結礦余熱罐回收工藝是一種新型的燒結礦顯熱回收工藝，與傳統環冷機或帶冷機相比，其提高了燒結礦顯熱回收率，降低了廢氣和粉塵排放量，對降低燒結能耗、促進企業節能減排和清潔生產具有重要意義。余熱罐作為其中的關鍵設備，其結構及操作參數會影響燒結礦和冷卻空氣在罐內的氣固換熱，從而影響出口冷空氣所攜帶余熱的“量”和“質”、從罐體排出的燒結礦溫度以及后續的發電量[1-2]。

目前，國內外學者在燒結礦余熱罐回收工藝與操作參數優化、氣固換熱模型等方面做了許多的研究，而針對余熱罐結構設計優化方面的研究卻相對較少。本文主要對燒結礦余熱罐結構方面的研究情況進行具體分析，以期為燒結礦余熱罐結構的優化設計提供一定的借鑒。

1 干熄焦爐結構研究現狀

燒結礦余熱罐屬于豎爐。而豎爐是燃料爐中的一類，爐身直立，大部分空間填滿塊狀料，爐氣經料層孔隙自下向上流動。與燒結礦余熱罐相關的豎爐主要是干熄焦爐，干熄焦爐是典型的氣固換熱式豎爐。

干熄焦工藝是瑞士舒爾查公司在1917 年率先研發的，并建成了世界上第一套干熄焦設備，雖然裝置不夠成熟，但引起了人們濃厚的興趣。1920 年—1940年期間主要建成的干熄焦結構形式主要包括多室式、地上槽式、罐室式、地下槽式，規模一般較小，同時還存在著投資高、實用價值低、工藝較復雜、蒸汽供應不穩定等問題。1937 年前蘇聯焦化設計院提出利用氮氣作為惰性氣體進入干熄焦爐與焦炭進行熱交換，通過預存室實現干熄焦連續穩定生產，以此保證蒸汽連續供應。進入20 世紀70 年代后，干熄焦技術進入快速發展時期[3]。

1985 年，我國開始應用干熄焦技術。隨著該技術的推廣，我國干熄焦技術在干熄槽高徑比、改進斜道孔、加設給水預熱器等方面做了大量創新，促進干熄焦設備向高效化、大型化方向發展。

燒結礦余熱罐和干熄焦爐裝置結構一樣，都是典型的氣固換熱裝置。為了使余熱罐回收工藝更高效地應用于工程實踐中，合理的余熱罐結構形式尤為重要，現在借鑒干熄焦爐技術的基礎上對余熱罐結構進行優化。

但燒結余熱罐又有別于干熄焦爐，主要表現在兩者物料性能參數不同：燒結余熱罐的物料為燒結礦，干熄焦爐的物料為焦炭；燒結礦粒度在10～40 mm 內居多，焦炭粒度以40～60 mm 占主導；燒結礦入口溫度在650 ℃左右，而焦炭在1 000 ℃左右；燒結礦的堆密度為1 700 kg/m3，焦炭的堆密度為563 kg/m3。因此，燒結礦余熱罐結構形式在借鑒干熄焦技術的基礎上，需根據燒結礦本身的特性進行確定。

2 燒結礦余熱罐結構研究現狀

2.1 燒結礦余熱罐結構形狀的分析

目前國內有關燒結礦余熱罐回收裝置結構形狀的研究文獻相對較少，也未進行過深入的研究。畢傳光等[4]借助數值模擬的方法，優化了梅鋼燒結礦余熱罐回收裝置的結構形狀，得出矩形燒結礦余熱罐為較佳的余熱罐結構形狀；并采用增加進/排料口個數的形式，即將進/排料口由1 個變成6 個，來減少燒結礦顆粒滾落造成的物料偏析問題。然而，不同結構形狀的余熱罐在余熱回收過程中的優劣仍需借助許多實驗、模擬等來進行分析判斷，以確定最佳的余熱罐結構形狀。

2.2 燒結礦余熱罐結構參數的分析

燒結礦余熱罐結構設計與回收利用工藝分析是借鑒干熄焦工藝中干熄焦爐的結構和原理進行的，通過冷空氣回收熱燒結礦顯熱[5]。燒結礦余熱罐一般由預存段、斜道段、冷卻段和出料段四個區域組成，如下頁圖1 所示。

圖1 燒結礦余熱罐結構

作為燒結礦余熱罐熱量交換關鍵場所的冷卻段，其設計的好壞決定著余熱罐的熱回收效率。陳士柏等[6]借助Fluent 和Comsol 數值模擬軟件，建立燒結礦余熱罐數學模型，模擬并分析了不同的氣固比及不同的冷卻段高度對百公斤級罐內氣- 固流動與熱交換以及料層阻力特性的影響；得出增加余熱罐冷卻段高度，會使冷卻空氣溫度升高，燒結礦溫度降低，空氣出口攜帶的火用值先增后趨平緩的結論，該模擬結果與生產實際相吻合；在保持余熱罐冷卻高度不變的情況下，余熱罐直徑變小，燒結礦出口溫度漸小，冷卻風出口溫度漸大。由此可見，燒結礦余熱罐冷卻段高度和直徑的選定對于燒結余熱回收有著重要的影響，因此，仍需大量的實驗、數值模擬來進一步確定其最佳值[7]。

布料裝置可將上料系統中旋轉料罐運來的熱燒結礦按數量裝入余熱罐體并合理分布。布料裝置需滿足密封好、布料均勻、設備簡單、便于維修、壽命長、運行平穩可靠等要求，其中最關鍵的要求是布料均勻。為此，侯朝軍等[8]采用六口（雙排三料口）布料形式來保證布料的均勻性，以克服存在的單口布料不均問題；排料形式亦如此，為六口排料。通過六口均勻布料與六口均勻排料，實現了燒結礦在罐內的均勻分布，從而提高燒結礦冷卻的均勻性，減少其局部的偏析。燒結礦余熱罐底部設計成矩形結構，底部布置的供氣裝置采用環形供風、錐斗出風的形式，并在環形風道間均勻布置支撐件。罐體周邊的冷風經過十字風道向六個下料口供風，每個料口的中心風帽向料口四周錐斗供風，最終形成由罐體四周向料口中心、隨后由料口中心向料口四周的供風形式，從而實現燒結礦的均勻冷卻。

孫俊杰等[9]對因一次偏析造成不同喉管處的顆粒度差異問題，確定在緩沖倉加入分料板設計，并采用離散單元法對其進行了分析。研究表明，增加喉管處大顆粒燒結礦量，有利于中心配風占比的提高。此外，為改善二次偏析的問題，還對罐底的直通喉管進行了探索及優化，將1 個喉管分割成4 個分流管，從而使整個平面內小顆粒燒結礦分布更均勻。

2.3 燒結礦余熱罐結構優化分析

張將等[10]采用片體建模、2D 網格單元的有限元分析方法，對中信重工機械股份有限公司燒結礦余熱罐的結構進行了優化設計研究。通過編輯已分組的片體單元厚度，并進行多方案計算，模擬出對應的余熱罐變形、Mises 應力分布，在有效提高計算效率的同時，也顯著縮短了結構設計周期，該分析計算法對大型爐體結構的初步設計具有很好的借鑒意義。

3 結論

1）我國鋼鐵企業對余熱回收利用越來越重視，燒結礦余熱罐回收技術是非常具有前景的技術，隨之余熱罐的結構形式對余熱回收效率的影響也引起了廣泛的重視。

2）不同結構形狀的燒結礦余熱罐在余熱回收過程中的優劣仍需進一步分析，以確定最佳的余熱罐結構形狀。

3）余熱罐冷卻段的高度和直徑對余熱回收起著關鍵作用，可進一步確定最佳冷卻段高度及直徑。

4）六口進/排料的矩形燒結礦余熱罐為目前較佳的余熱罐結構形式。但對于更好的余熱罐結構形式，則仍需借助大量的實驗以及數值模擬來開展更深入地研究。