燒結礦余熱罐內氣固傳熱分析★

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）

燒結礦余熱罐回收技術是目前具有革命性的、高效回收燒結顯熱的余熱回收技術，經歷了燒結礦余熱罐內流動與傳熱機理的研究→技術層面分析；從解析、數值計算→實驗室試驗→小試→中試。其關鍵問題之一是罐內燒結礦料層氣固傳熱過程。余熱罐內的氣固傳熱過程直接影響到燒結礦的冷卻效果和余熱罐出口熱風所攜帶的火用值，最終影響到該系統的發電量。氣固傳熱越充分，余熱回收率越高。為此，本文主要對燒結礦余熱罐氣固傳熱的研究現狀和強化氣固傳熱技術途徑兩方面進行分析，以期為強化燒結余熱回收余熱罐氣固傳熱指明方向，對燒結礦余熱罐的工程設計起到指導作用。

1 燒結礦余熱罐內氣固傳熱研究現狀

力杰等[1]借助Comsol 數值軟件建立了余熱罐內的氣固傳熱數學模型，模擬出罐內燒結礦料層內的冷風、燒結礦溫度分布情況，探索出余熱罐內的氣固傳熱過程隨燒結礦的料層高度和氣料比的變化規律。

劉立鈞等[2]利用有限差分法研究燒結礦余熱罐內的氣固換熱過程，并主要分析了氣料比、冷風入口溫度、冷卻風量對余熱罐內氣固傳熱的影響規律。

果晶晶等[3]應用CFD 數值模擬軟件建立了二維燒結礦余熱罐內的氣固換熱模型，分析了冷風入口溫度、冷卻風量對罐內氣固換熱的影響。

王萌等[4]通過實驗測得余熱罐料層傳熱相關數據，獲得余熱罐料層傳熱系數的關聯式，并研究冷卻風量、燒結礦顆粒直徑、燒結礦料層高度與燒結礦料層傳熱系數之間的關系。李磊等[5]結合實驗數據，進一步完善余熱罐料層傳熱系數公式。

馮軍勝等[6-7]搭建燒結礦余熱罐氣固傳熱實驗臺，整理實驗數據擬合出燒結礦料層氣固傳熱關聯式，并研究余熱罐內氣固傳熱系數隨冷卻風量、燒結礦顆粒直徑的變化規律。研究發現冷卻風量、燒結礦顆粒直徑對余熱罐內氣固傳熱系數影響較大；罐內燒結礦溫度較前兩者對氣固傳熱系數影響較小。

黃柱成等[8]以某燒結廠的熱風與熱燒結礦為基礎，研究了余熱罐內氣固對流換熱特性，發現冷卻風量和冷風入口溫度是影響氣固換熱的主要因素，并擬合出燒結礦料層氣固傳熱關聯式。

后續通過進一步深入研究，馮軍勝等[9-10]引入火用傳遞系數，從而推出余熱罐內料層的火用傳遞系數公式；并借助實驗數據擬合出燒結礦料層火用傳遞系數的關聯式。

在以前燒結礦余熱罐內氣固傳熱研究結果的基礎上，馮軍勝等[11-12]主要應用多孔介質理論和局部非熱力學平衡理論，對余熱罐內的三維穩態氣固傳熱進行了數值模擬分析。該模擬工作最大的關鍵點在于通過自定義函數UDF 的方式，將相關的實驗數據如余熱罐內冷風流動的慣性阻力系數、粘性阻力系數、氣固物性參數、氣固換熱系數等導入數學模型進行模擬研究。最后分別分析了燒結礦入口溫度、燒結礦顆粒直徑、氣料比、冷風入口溫度與余熱罐內氣固傳熱之間的聯系。

張晟[13]等在模擬研究時運用COMSOL 數值模擬軟件的自定義函數（UDF）功能，將余熱罐內冷風壓力損失關系式和燒結礦料層氣固換熱系數關系式嵌入所建立的三維余熱罐冷卻段的數學模型中，藉此模擬研究年產量260 萬t 燒結礦余熱罐冷卻段的氣固傳熱過程，如下頁圖1 所示[13]。

沈勛等[14]運用協同理論研究了氣料比、燒結礦料層高度、燒結礦料層直徑等因素對于余熱罐內燒結礦冷卻過程場協同數的影響，并指出燒結礦余熱罐應由“瘦高型”向“矮胖型”發展。氣料比和燒結礦料層高度對氣固換熱的主要影響因素，燒結礦料層直徑的影響相對較小。

以上研究結果表明：

1）燒結礦料層高度、氣料比、燒結礦顆粒直徑、冷卻風量對料層內氣固傳熱有重要影響：相同的條件下，若增加燒結礦料層高度，熱風的出口溫度呈逐漸升高的趨勢，燒結礦出口溫度呈逐漸降低的趨勢，余熱罐出口熱風所攜帶的火用值呈初始增大然后趨于平穩的變化趨勢；隨著氣料比的增加，燒結礦出口溫度、熱風的出口溫度都呈逐漸降低的趨勢，余熱罐出口熱風所攜帶的火用值呈先增后減的變化趨勢；燒結礦顆粒直徑越小，氣固傳熱系數也就越大；隨著余熱罐內冷卻風量的增加，燒結礦出口溫度逐漸降低，氣固換熱系數也隨之增大[15]。

2）料層燒結礦溫度、冷風入口溫度對余熱罐內的氣固傳熱也會有影響：料層燒結礦溫度增加，余熱罐內氣固傳熱會增大；燒結礦的氣固傳熱隨冷風入口溫度的增加而降低，且燒結礦出口溫度會升高。

3）燒結礦料層直徑對余熱罐內氣固換熱的影響相對較小。

目前燒結礦余熱罐內的氣固傳熱研究中，一般假設燒結礦顆粒為規則模型、完全彈性碰撞，以平均空隙率進行計算，忽略了燒結礦料層的不均勻性[16]。然而空隙率分布對余熱罐內的氣固傳熱規律有很大影響。研究中若考慮空隙率的分布情況，將會使料層中傳遞模型和化學反應過程的模型更加精準。

2 強化燒結礦余熱罐氣固傳熱的主要技術途徑

余熱罐內氣固熱交換屬于以對流換熱為主的氣固傳熱過程。該氣固熱交換是否充分主要取決于氣固接觸和熱交換時間兩方面，其主要因素包括余熱罐冷卻段的高度、冷卻風量、余熱罐內燒結礦料層空隙率等。因此強化燒結礦余熱罐氣固傳熱的途徑主要有：

1）燒結礦余熱罐冷卻段的高度選取要適當增加。余熱罐冷卻段高度的選取，是要保證罐內充足的氣固熱交換時間。余熱罐冷卻段高度與其直徑一般呈反比關系。當余熱罐冷卻段直徑越大，冷風的分布情況就會越不均勻，氣固接觸就越不充分，氣固傳熱效果就越差。當增加余熱罐的冷卻段高度，冷風流經燒結礦料層的阻力損失增加，還會影響到熱風出口的溫度和流量。故而，燒結礦余熱罐冷卻段的高度選取，要綜合考慮到余熱罐冷卻段的直徑、余熱罐出口熱風品質，以期既能實現冷風流經燒結礦料層的阻力適宜，又能實現冷風在冷卻段均勻分布，還能獲得較高品質的罐體出口熱風[15，17-18]。

2）合理調節冷卻風量。冷卻風量亦為保證罐內充足的氣固熱交換時間。應適當減小冷卻風量，但要辯證考慮。目前認為較冷卻風量為為55 萬～60 萬m3/h[15，17]。

3）增大余熱罐內燒結礦料層空隙率。燒結礦顆粒直徑是影響燒結礦料層空隙率最重要的因素之一。一般而言，余熱罐內燒結礦料層空隙率隨著燒結礦顆粒直徑的減小而變小。實際生產中，主要影響余熱罐內燒結礦料層空隙率是直徑在5 mm 以下的燒結礦粉礦含量。該部分的粉礦含量，可通過盡可能的降低燒結礦從熱破碎階段到余熱罐預存段之間一系列的高度落差和改進熱破碎等手段，來保證余熱罐內燒結礦料層的空隙率[15]。

3 結論

1）燒結礦余熱罐回收技術是目前具有革命性的、高效回收燒結顯熱的余熱回收技術，余熱罐內燒結礦料層氣固傳熱過程是制約其潛力發揮的關鍵技術問題之一。

2）燒結礦料層高度、氣料比、燒結礦顆粒直徑、冷卻風量對燒結礦余熱罐料層內氣固傳熱有重要影響；料層燒結礦溫度、冷風入口溫度對余熱罐內的氣固傳熱也會產生一定影響。

3）在燒結礦余熱罐內氣固傳熱過程中，燒結礦料層空隙率的分布情況是有待進一步研究的問題。

4）目前強化燒結礦余熱罐氣固傳熱的主要技術途徑有適當增加燒結礦余熱罐冷卻段的高度，合理調節冷卻風量，增大余熱罐內燒結礦料層空隙率。