燒結(jié)環(huán)冷機(jī)組余熱回收的數(shù)值模擬與應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)： TF802.67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）20-0094-06

Abstract：ThecircularcolingunitisoneoftheimportantequipmentinthesteelsinteringproductionprocessItisusedto cooltheroastedandrushedhigh-temperaturesinter.Theequipmentventilatedandcoolsheatthroughacircularringsupported onacirculartrackandrotatingaroundafixedcenterofrotation.Inthelong-termproductionpractice，traditionalcircularcoolers haveexposedaseriesof problemssuchasenergywasteandenvironmentalpolutionduetothelimitationsofstructuraland functionalmodels.Basedontheactualproductionmodeofthesinteringringcolingunit，aphysicalmodelwasbuilt，parameter changesattheobservationpointsduringtheentireoperationcycleweresetandrecorded，andtheimpactofvariousfactorson thesinteringcoling efectwasanalyzed.Foursetsofeficientworkingconditionswerescreenedoutwhilemetigthe enterprisesneedsforminerallayercolingwereestablished，andanorganicRankinecyclethermodynamicmodelwasestablished topredictandevaluatethepowergenerationandpowergenerationateachworkingconditionpointandplan.Itisexpectedthat the annual power generation will be increased by 1100×10⁴kWh . Annual standard coal is saved by 3320tce/a ，and annual carbon emission reduction is 9220t-c/a ，which is of guiding significance for actual production.

Keywords：sintered circularcooler;physical modeling;cooling eficiency；fluegas temperature;power generation

鋼鐵是最重要的工業(yè)基礎(chǔ)原材料之一，我國年產(chǎn)量達(dá)10億t，占全球產(chǎn)量過半，在建筑、交通等領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色。然而，這一行業(yè)的碳排放也占了國內(nèi)工業(yè)的較大比例。為達(dá)成本世紀(jì)節(jié)能減排目標(biāo)，我國鋼鐵行業(yè)需要在未來25年內(nèi)將碳排放量減少一半，因此，鋼鐵行業(yè)在消費(fèi)、制造、技術(shù)和供應(yīng)等多個(gè)領(lǐng)域向零碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型非常重要。而燒結(jié)環(huán)冷工序是鋼鐵生產(chǎn)過程中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其能源消耗較為顯著，約占鋼鐵行業(yè)總能耗的 10% 。因此，這一工序在生產(chǎn)過程中具有較高的能效利用潛力。

伏啟讓、李圭文等3-4對(duì)各企業(yè)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱回收的工藝流程和實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行調(diào)查研究，經(jīng)過密封改造后，環(huán)冷機(jī)有效減少了內(nèi)部高溫?zé)煔獾呐欧艙p失，從而提升了燒結(jié)礦余熱的回收利用效率。倪樹奇、劉慧敏等β5-針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)冷機(jī)存在的缺陷問題，對(duì)傳動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)體裝置、壓軌裝置等進(jìn)行了不同程度的升級(jí)改造，將環(huán)冷設(shè)備的整體性能提高了一個(gè)等級(jí)，降低了漏風(fēng)率和故障率，提升了發(fā)電量。在建模仿真方面，夏建芳等針對(duì)環(huán)冷機(jī)預(yù)熱回收率低的問題，通過分析方法，建立了一個(gè)用于評(píng)估某鋼鐵廠燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行效率的模型。該模型基于多孔介質(zhì)模型和局部非平衡熱力學(xué)模型，探討了不同參數(shù)對(duì)固體溫度分布、氣體溫度和流速分布，以及余熱利用效率的影響。Jiin-Yuh對(duì)燒結(jié)床冷卻過程中的三維湍流、瞬態(tài)流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)中溫廢氣進(jìn)行串級(jí)利用可以改善燒結(jié)煙氣循環(huán)利用的效果，避免了燒結(jié)機(jī)料面表層因抽入冷空氣而溫度急劇降低所產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和裂紋的現(xiàn)象，為燒結(jié)礦均質(zhì)化及高成品率創(chuàng)造條件8，但沒有得到市場化應(yīng)用。

目前關(guān)于燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的研究主要是結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，通過提高各部分的密封性來降低漏風(fēng)率，提高發(fā)電量。在仿真方面缺少對(duì)煙氣回?zé)帷⑽锪虾穸群惋L(fēng)機(jī)風(fēng)速的定量綜合研究，并且沒有將影響因素與實(shí)際生產(chǎn)的發(fā)電段建立功率和產(chǎn)量的聯(lián)系。針對(duì)某企業(yè)的燒結(jié)環(huán)冷系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)仿真，進(jìn)行驗(yàn)證后重新建立不同工況的物料層模型，統(tǒng)計(jì)各厚度物料層最終溫度所受因素的影響，之后利用一系列公式計(jì)算出優(yōu)化后發(fā)電量的提升，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。對(duì)于指導(dǎo)企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中提高能源利用率，降低碳排放具有一定的意義。

1模型建立

1.1 物理模型

選擇企業(yè) 360m³ 燒結(jié)工程 415m² 鼓風(fēng)環(huán)冷機(jī)為研究對(duì)象，使用CFD和SolidWorks軟件對(duì)機(jī)組、礦石進(jìn)行建模，并對(duì)回?zé)崆昂蟮牧鲌鲞M(jìn)行模擬，所建幾何模型如圖1、圖2所示。

環(huán)冷機(jī)的實(shí)際工作狀況如圖3所示，根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況分為5段，其中夏季開第三、四、五段，春秋季開第三、四段，冬季開第三段。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)記錄確定第三段余熱溫度為 195°C ，第四段為 135°C ，并將這2段廢氣回收用于發(fā)電。本文研究意在保證第五段煙氣最終排放溫度達(dá)到企業(yè)要求的前提下盡可能提高第三、四段的煙氣溫度，達(dá)到發(fā)電量的提升。

對(duì)模型進(jìn)行簡化處理：

1）將整個(gè)運(yùn)行中的機(jī)組視為靜止?fàn)顟B(tài)，除去進(jìn)、排料口外，以環(huán)冷機(jī)組圓心取 10^° 角進(jìn)行建模，用運(yùn)行時(shí)間來代表單位體積的礦層所在位置，模擬總時(shí)間即為實(shí)際機(jī)組運(yùn)行一周所需時(shí)間。

2）將無規(guī)則多空隙的礦石堆視為理想平板，與機(jī)組內(nèi)壁四周留有空隙，尺寸根據(jù)實(shí)際周期冷卻量和孔隙率及礦石密度進(jìn)行設(shè)定。

3）將風(fēng)機(jī)構(gòu)造簡化為流場入口，根據(jù)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)口尺寸設(shè)置進(jìn)風(fēng)速度，按實(shí)際情況設(shè)置排風(fēng)口。

4）機(jī)組材質(zhì)、風(fēng)量等均按照實(shí)際情況設(shè)置。

1.2 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程

能量方程

1）從流體單元到壁面的熱傳導(dǎo)屬于對(duì)流傳熱，礦石和機(jī)組自身屬于傳導(dǎo)傳熱。因而其遵循固定溫度條件的熱流量傳導(dǎo)方程、壁面對(duì)流熱傳導(dǎo)方程、瞬態(tài)固體能量守恒方程

q=h_f（T_w-T_f）+q_rad，

式中： h_f 為局部流體一側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)； T_w 為壁面溫度；

T_f 為局部流體溫度； q_rad 為輻射熱流量。

2）從固體單元到壁面邊界的熱傳導(dǎo)

式中： K_s 為固體的熱傳導(dǎo)率； T_s 為壁面局部固體溫度；

Δn 為壁面表面和固體單元中心的距離。

3）對(duì)流熱傳導(dǎo)

q=h_f（T_w-T_f）+q_rad=h_ext（T_ext-T_w），

式中： h_ext 為定義的外部熱傳導(dǎo)系數(shù)； T_ext 為定義的外部熱沉溫度； q_ard 為輻射熱流量

4）熱分析類型包括瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析，本文研究主要關(guān)心的是模型內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化，即模型的熱力狀態(tài)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，不涉及其在達(dá)到熱平衡狀態(tài)的熱力條件，因而選用瞬態(tài)分析。在區(qū)域塊設(shè)定時(shí)，賦予了各部分熱導(dǎo)率、比熱、初始溫度、密度、黏度等屬性，設(shè)置了運(yùn)行時(shí)間、時(shí)間增量等條件

式中： K 為材料導(dǎo)熱率； T 為控制體溫度； 為控制體內(nèi)生熱。

2參數(shù)和邊界條件設(shè)置

2.1 參數(shù)設(shè)置

模型各部分參數(shù)見表1。

2.2 邊界條件

回?zé)崆暗目諝鉁囟扰c當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度相同，回?zé)岷鬁囟葹?600K 風(fēng)機(jī)將空氣從機(jī)組下方吹入，流經(jīng)礦板四周間隙，變成高溫空氣從頂部排煙口排出。進(jìn)口為速度入口，出口為壓力出口，機(jī)組外壁面絕熱，空氣形成的內(nèi)流場與礦板和機(jī)組內(nèi)壁面之間設(shè)置為對(duì)流換熱，各部分內(nèi)部為傳導(dǎo)換熱，在模型出口處設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)記錄其在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間的溫度變化。所建成的傳熱模型如圖4所示。

3仿真結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

將仿真條件設(shè)置成與實(shí)際常態(tài)運(yùn)行工況相近的風(fēng)機(jī)風(fēng)速 15m/s ，溫度 25°C ，礦層厚度 70mm 。把仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分段取點(diǎn)對(duì)比分析。

由對(duì)比圖（圖5）可以看出，模擬結(jié)果在第一段和第二段與實(shí)際溫度測(cè)量結(jié)果有差距，這是由于在仿真過程中對(duì)礦板以及機(jī)組的理想化設(shè)計(jì)導(dǎo)致的運(yùn)行初期溫度驟降;第三、四、五段數(shù)據(jù)基本吻合。本文主要針對(duì)第三、四段的中低溫廢氣進(jìn)行余熱利用，因而模擬結(jié)果具有參考價(jià)值。在常態(tài)仿真條件的基礎(chǔ)上對(duì)回?zé)釥顩r、風(fēng)機(jī)風(fēng)速、礦層厚度等工況條件進(jìn)行改變并分析冷卻效果，最終獲得達(dá)到企業(yè)需求并最大化發(fā)電量的工況方案。

3.2 仿真結(jié)果

在改變工況條件后可得到圖6、圖7的擬合曲線和圖8、圖9的三維曲面。

圖6在對(duì)已得溫度點(diǎn)進(jìn)行Belehradek擬合后可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)工況風(fēng)速下，增加回?zé)釙?huì)降低其初始階段的冷卻效率，在第四段末將風(fēng)速增大到 20m/s 后可達(dá)到與回?zé)崆皽夭钤?20°C 以內(nèi)的企業(yè)需求。

圖7在對(duì)已知溫度點(diǎn)進(jìn)行LangmuirEXT2擬合后可以看出，隨著風(fēng)速的提高，冷卻效率在前半段的提升更為明顯，而冷卻效果的增量越來越少，風(fēng)速在 5m/s 時(shí)明顯達(dá)不到冷卻溫度，因而在后續(xù)的方案中舍棄這一工況。

圖8和圖9分別反映了不同厚度的礦層在不同風(fēng)速影響下第四段和最終的冷卻效果，每張圖自下而上分別為空氣冷卻、回?zé)?408K 和回?zé)?468K 狀態(tài)。

根據(jù)企業(yè)需求，最終的廢氣排放溫度應(yīng)與常態(tài)溫差在 20°C 以內(nèi)，在此基礎(chǔ)上對(duì)各工況點(diǎn)的最終冷卻溫度進(jìn)行篩選，并盡可能提高第三、四段的溫度，以最大化發(fā)電量。因此挑選出了4套工況方案，并在后續(xù)建立ORC熱力學(xué)循環(huán)模型，對(duì)各方案發(fā)電量進(jìn)行評(píng)估分析，見表2。

4發(fā)電功率和發(fā)電量分析

有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，之前部分研究的廢氣在余熱鍋爐中將有機(jī)工質(zhì)加熱成飽和蒸汽，之后送入膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)變速裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電能。ORC透平參數(shù)、發(fā)電段水循環(huán)參數(shù)、ORC熱力學(xué)模型運(yùn)行參數(shù)見表3一表5。

在ORC發(fā)電系統(tǒng)中，膨脹機(jī)是輸出有用功的唯一裝置，由有機(jī)工質(zhì)高壓蒸汽產(chǎn)生的膨脹做功量為

W_t=m_f（h₆-h₇）η_t

式中： 代表單位質(zhì)量有機(jī)工質(zhì)膨脹時(shí)對(duì)外做功量（kJ/kg） ; h₆ 和 h₇ 代表有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)進(jìn)出口的比焓（kJ/kg）;η_t 代表膨脹機(jī)的等熵效率， m_f 為工質(zhì)流量。

凈輸出功率表示為

W_net=W_t-W_pv-W_pc，

式中： W_net 代表系統(tǒng)凈輸出功率 （kW），W_pw 和 W_pc 表示工質(zhì)泵和冷卻水泵消耗的電功率。

發(fā)電量為總時(shí)間發(fā)電功率的積分和，表示為

式中： Q 代表整個(gè)發(fā)電段取熱的發(fā)電量， T₁ 和 T₂ 表示發(fā)電段所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

根據(jù)調(diào)整后不同因素最終的冷卻效果進(jìn)行余熱發(fā)電，可對(duì)發(fā)電功率和發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10、圖11所示。

由圖10分析可知，回?zé)釥顟B(tài)和風(fēng)速對(duì)發(fā)電功率的影響較大，在添加 408K 回?zé)岷?468K 回?zé)釥顟B(tài)時(shí)發(fā)電功率可增加約 1200kW 和 2200kW ，在將風(fēng)機(jī)風(fēng)速從 15m/s 降到 10m/s 時(shí)發(fā)電功率可增加約 1100kW ；在使用方案2時(shí)， ¹h 可提升約1300kWh 電量，年提升約 1100×10⁴kWh 電量。對(duì)節(jié)能減排效果進(jìn)行評(píng)估，按煤電折算系數(shù) 302.5gce/kWh 標(biāo)準(zhǔn)煤熱值 7000kcal/kg 計(jì)算，可得表6的評(píng)估結(jié)果。

5 結(jié)果與討論

1）使用同工況下的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，之后通過改變模型各部分參數(shù)和運(yùn)行條件，獲得燒結(jié)礦在定量條件下出口煙氣的變化規(guī)律和最終溫度。

2）利用有機(jī)朗肯循環(huán)模型對(duì)改變?nèi)矫嬉蛩卦诎l(fā)電效率上做出直觀體現(xiàn)，分析出在發(fā)電效率提升最大的是添加回?zé)釥顟B(tài)和降低風(fēng)速，最大可提升3000kW 。有助于在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中根據(jù)需求對(duì)回?zé)釥顩r、風(fēng)量、冷卻礦量及轉(zhuǎn)速進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

3）將多種因素綜合考慮形成方案，使用ORC熱力學(xué)模型對(duì)發(fā)電量進(jìn)行評(píng)估。其中方案2在增加468K 回?zé)釥顟B(tài)后于第四段末進(jìn)行大風(fēng)量冷卻，保障最終冷卻效果，理論預(yù)估可減少年購電量 1100× 10⁴kWh ，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 3320tce ，年碳減排量9220t-c 。

4）本文的模型仿真和發(fā)電量提升建立在理想模型的基礎(chǔ)上，實(shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)受到更多因素的影響，需要后續(xù)對(duì)建模和仿真過程不斷進(jìn)行改進(jìn)。

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