烧结矿冷却过程数值模拟及余热回收分析

　　摘要建立了烧结矿冷却过程的多孔介质模型，探讨了烧结矿热物性参数分别采用经验值和实验值对数值模拟的影响，分析了不同的烧结矿粒径和不同入口风温工况下的出口热废气对余热发电量的影响。结果表明:使用热物性参数实验值对料层温度的模拟结果与热物性参数经验值模拟结果差距较大，实验值模拟结果更接近实际运行工况;在余热发电方面，烧结矿粒径越小、冷却风温越高，吨矿余热发电量越大。烧结矿粒径为50mm时比粒径为60mm时吨矿发电量提高了8.66%;入口风温为583K时比入口风温为553K时吨矿发电量提高了7.81%。

　　关键词烧结矿环冷机多孔介质数值模拟余热发电

　　钢铁工业作为国民经济的基础原材料产业，在经济发展中具有重要地位。我国作为钢铁生产大国，其能耗占全国能源消耗总量的25%以上[1]。在钢铁企业中，烧结工序能耗约占整个钢铁流程能耗的18%[2-3]，是仅次于炼铁的第二大耗能工序。而在烧结工序中约有一半左右的热能被烧结过程产生的烟气和冷却机废气带走。其中，烧结机烟气带走的余热量占烧结工序能耗的13%～23%，环冷机废气带走的余热量占烧结工序能耗的20%～25%[4]，不仅浪费了大量的余热资源，还对环境造成污染。为了保护环境和节约能源，必须要对环冷机废气余热进行有效回收。目前余热利用的主要方式有余热发电、产生蒸汽、热风烧结和预热混合料。

　　工业论文投稿刊物：《节能技术》杂志是1983年由国防科工委批准创办的技术理论与应用综合类刊物。

　　一般认为，利用余热生产蒸汽带动汽轮机发电是较为先进高效的余热利用技术[5]。吴礼忠等[6]通过数值模拟研究了烧结矿冷却过程气-固换热规律，考虑余热回收效率的同时优化了料层厚度和给料温度。倪鲲鹏[7]通过查阅资料，建立了环冷机冷却工艺的数学模型，采用烧结矿热物性经验值研究了环冷机内部流动过程和传热传质过程。赖坤[8]基于局部热平衡理论，采用烧结矿变热物性参数研究了环冷机内气固的传热与流动问题。Pelagagge等[9-10]建立了集热罩不同布置形式时烧结矿余热回收方程，比较集热罩不同布置形式不同工况参数条件下的余热回收量，通过控制环冷机鼓风量优化烧结矿的冷却过程，使烧结矿余热回收量最大化。

　　然而，目前的研究中热物性参数大多采用钢厂参考值，且多为定值，但实际过程中，这些参数会随温度不断变化，导致模拟结果与实际过程产生较大偏差。此外，目前的多数研究是针对鼓风量的变化对出口热风温度的影响展开的，且多是研究环冷机的最优参数。因此，文章以高温热废气的余热回收分析为背景，针对烧结矿冷却数值模拟过程中存在的问题，以实验的物性参数代替经验值，验证模型的准确性。根据所建立的准确模型，分析烧结矿粒径和入口风温两个因素对热废气余热发电量的影响。在保证烧结矿冷却的同时还能高效回收烧结矿显热，对钢铁企业的绿色低碳和可持续发展具有重要意义。

　　1模型建立

　　1.1物理模型

　　文章以某企业396m2的环冷机为研究对象，将环冷机分为5段。鼓风机通过强制鼓风，使冷却空气自下而上穿过料层，带走热量。台车在轨道上匀速运动，环冷机床层可视为由多个固定床衔接而成[11]。在进行数值模拟之前需要对物理模型进行如下简化[12-13]:(1)冷却风经风道均匀进入高温烧结矿底部;(2)台车在轨道上匀速运动，各台车内的烧结矿依次匀速经过每个风道，各台车内的烧结矿冷却过程一样，是均匀对称的;(3)沿台车运动方向无热量和质量传输。根据某钢厂环冷机参数及以上假设，建立环冷机二维非稳态传热模型。

　　1.2数学模型

　　烧结矿冷却过程中气体通过烧结矿属于标准的流体通过固体填充层的流动，是典型的多孔介质流-固耦合流动。其控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和烧结矿固体及冷却空气的能量守恒方程。

　　1.3初始及边界条件

　　空气从烧结台车底部被鼓风机吹入，流经烧结矿层进行换热后在台车顶部排出。台车底部设置为空气入口，其流体速度和初始温度由实际工况给定。台车顶部设置为压力出口，出口的回流压力和回流温度由实际工况给定。冷却入口段的壁面设置为绝热边界;多孔介质段和热废气出口段的壁面设置为定热流边界。烧结矿的初始温度为1073K，平均粒径为60mm，入口平均风温为553K。

　　2热电转换原理

　　出口热废气余热进行发电的系统。其中，锅炉系统中工质为水，烧结矿冷却过程中产生的高温热废气与水进行换热，产生高温高压蒸汽，产生的蒸汽再用于推动汽轮机进行发电。做功后的乏汽排入凝汽器中凝结成水，再利用给水泵将凝结水输送到余热锅炉中用于产生蒸汽，形成汽-水循环。而在余热锅炉中，锅炉给水在省煤器中完成预热任务，使水温升高到接近饱和温度，预热热量由经蒸发器换热后的烧结热废气提供;在蒸发器中，水由液相变为饱和蒸汽状态，热量由经换热器换热后的烧结热废气提供。在过热器中饱和蒸汽被加热升温为过热蒸汽，热量由烧结热废气直接提供。

　　3结果与讨论

　　温度曲线几乎完全平行，料层高度对温度的影响较小，与实际生产偏差较大，3500s冷却过程结束。而使用热物性参数实验值对料层温度模拟结果与经验热物性参数模拟结果差距较大，各料层高度温度曲线斜率均有所不同，底部300mm料层降温较快，600～1200mm降温趋势相似，而出口烟气温度受到下方料层高温烟气影响，降温曲率较小，降温过程持续到3800s。在600～800K区间范围内降温速率最快，这和烧结矿的等效导热系数相关。等效导热系数在此温度区间内能到达峰值，因此烧结矿降温速率最快。使用实验参数模拟结果温度曲线更为平滑，使用经验参数模拟结果温度明显偏高，对比实际生产工况，烧结矿的物性参数采用实验值进行模拟更贴近钢厂实际情况，模型更具可靠性。

　　3.1余热发电量的分析

　　环冷机高温段的主要热回收方式为通过余热锅炉进行发电，文章利用上述已验证的模型及热电转换原理，在烧结矿平均粒径和入口平均风温的基础上研究这两个因素的变化对余热发电量的影响。根据钢厂的实际运行工况，环冷机一段、二段热废气流量为804312m3/h。

　　3.1.1烧结矿粒径对余热发电量的影响

　　通过查空气焓湿表、未饱和蒸汽和过热蒸汽焓图[17]，计算各工况下的吨矿发电量和吨矿废气含热量，计算其热电转换效率。不同烧结矿粒径条件下的烧结矿吨矿发电量及热电转换效率计算。烧结矿粒径越小，吨矿发电量越大，热电转换效率越高。烧结矿粒径为50mm时吨钢发电量比钢厂运行工况粒径为60mm时吨矿发电量提高8.66%。

　　3.1.2入口风温对余热发电量的影响

　　不同入口风温条件下的烧结矿吨矿发电量及热电转换效率计算。入口风温越高，吨矿发电量越大，热电转换效率越高，在满足冷却条件的前提下，钢厂运行工况冷却风温选择583K比冷却风温为553K时吨矿发电量提高7.81%。

　　4结论

　　建立了环冷机台车内烧结矿冷却的气固换热模型，利用实验测量得出的烧结矿热物性参数和经验值进行对比，并在该模型的基础上分析了烧结矿粒径和入口风温等因素对余热发电量的影响，得出以下结论:

　　(1)烧结矿冷却过程中热物性参数随温度不断变化，利用其实验值和经验值对所建模型进行验证。两者的温度曲线斜率相差较大，采用实验值模拟结果更接近实际运行工况，模型更具可靠性。

　　(2)烧结矿粒径和入口风温是影响余热发电量的主要因素。在平均粒径的基础上增加或减小粒径，研究其对余热发电量的影响。烧结矿粒径越小，吨矿余热发电量越大，热电转换效率越高，粒径为50mm时比实际运行工况60mm时吨矿发电量提高8.66%。

　　(3)入口风温不同，出口热废气的温度不同。在入口平均风温的基础上升高或降低风温，研究其对余热发电量的影响。入口风温越高，吨矿余热发电量越大，热电转换效率越高，冷却风温选择583K时比实际运行工况553K时吨矿发电量提高7.81%。对烧结矿冷却过程不同工况进行模拟以找到最佳运行参数，不仅可以节约能源、保护环境，还可起到降低成本的作用。

　　参考文献

　　[1]EstrupC.Energyconsumptionanalysisbyapplicationofnationalinput-outputtables[J].IndustrialMarketingManagement，1974，3(4):193-209.

　　[2]WuYS.Sinteringwasteheatrecoverytechnology.EnergyConserveTechnol，1990(4):44.

　　[3]WangZP，HuXM.Aboutthestatusanddevelopmenttrendofsinteringwasteheatpowergeneration.SinteringandPelletizing，2008，33(1):31.

　　[4]吴亦三.烧结机余热回收利用技术[J].节能技术，1990，(4):44-48.