冶金工程论文
摘 要： 随着钢铁企业的发展，烧结余热回收利用尤其在余热发电方面取得了长足的进步，国内烧结厂大多都建设环冷机余热回收系统，该设计是基于烧结矿冷却，而非余热回收，因此余热回收效率较低，基于此，国内提出了烧结矿余热竖罐式回收工艺流程。对于竖罐余热回收装置，冷却段内气体流动特性对装置余热回收效率会产生重要影响，本文结合大量文献所描述的实验和模拟，主要针对装置内气体流动问题以及装置结构和操作参数，进行文献综述。目前，竖罐式余热回收装置结构方面还有一些参数尚未确定最佳数据，例如进料口选择多口还是单口，回收装置选择圆形还是方形。本文对前人的研究结果进行归纳总结，综述余热回收发展现状，并依托文献与工业实际提出观点及建议，为后续研究提出方向，奠定基础。
关键词 : 余热回收;气体流动;空隙率;竖罐式回收;装置结构;
Abstract： With the development of country's iron and steel enterprises,sintering waste heat recovery and utilization have made considerable progress,especially in waste heat power generation. Most domestic sintering plants have built circulating cooler waste heat recovery systems. The design is based on sinter cooling rather than waste heat recovery. The waste heat recovery efficiency is low. Based on this,a vertical tank recovery process of sintering waste heat has been proposed in China. For the vertical tank waste heat recovery device,the gas flow characteristics in the cooling section will have an important impact on the waste heat recovery efficiency of the device. This article combines the experiments and simulations described in a large number of documents. A literature review was conducted for the problems of gas flow in the device and the device structure and operating parameters. At present,there are still some parameters in the structure of the vertical tank waste heat recovery device that have not yet determined the best data,such as the choice of multi-port or single-port for the feed inlet,and round or square for the recovery device. This article summarizes the results of the predecessors,summarizes the development status of waste heat recovery,and puts forward its own opinions and suggestions based on the literature and industry practice,and lays the foundation for the future research.
Keyword： Waste heat recovery; Gas flow; Void fraction; Vertical tank recycling; Device structure;
1 、前言
烧结是指在高炉炼铁之前，将粉状含铁原料配入适量的燃料，溶剂，加入适量的水在烧结机上烧结成块的过程。中国钢铁企业烧结工序能耗约占钢铁企业总能耗的15%，是仅次于炼铁的第二大耗能工序[1]。烧结过程中余热资源包括两部分:烧结矿显热和烧结烟气显热，分别占烧结工序总热量的40%～45%和15%～20%[2]，烧结余热属于中低品质的热源，这部分热量可以直接回收用于热风烧结，热风点火助燃以及烧结混合料干燥，另外也可以用于产生蒸汽，热水，低温供暖。因此能够充分利用这部分热量对于钢铁企业的节能减排具有重要意义。在烧结过程中，烧结矿欠烧废气温度较高，因此需要热回收性能更好的装置回收烧结余热。
当前烧结余热竖罐炉是烧结余热回收的主要装置，相比环冷机余热回收工艺流程，该装置具有余热回收效率较高、漏风率较低，粉尘排放量少等优点[3]。目前对于竖罐炉的研究主要集中在装置结构，冷却段内气体的流动特性以及气固传热特性，装置结构参数会直接影响余热回收效率，因此需要对罐体的形状，进料，排料口的个数，风帽的布置方式等进行优化。冷却段内气体的流动特性以及气固传热的模型是影响烧结余热回收的主要影响因素，增强流体流动与优化换热可以提高装置余热回收效率。
本文主要综述分析了烧结矿竖式余热回收装置结构参数以及操作参数的确定、冷却段内气体流动问题和烧结矿流动问题，装置结构参数的优化，具体阐述影响气体流速因素的确定方法以及建立的各种传热模型等，并对今后的研究方向和研究方法提出观点以及建议。
2、 装置结构和操作参数研究现状
2.1 、装置结构参数
借鉴干法熄焦中干熄炉结构和工艺，同时参考高炉炼铁的结构，国内提出了烧结矿余热竖罐式回收利用的结构与工艺。环冷机是在上下所固定的风箱中“穿行”，这种“卧式”结构导致冷却系统的漏风不可避免，降低余热回收的效率，同时还会增加颗粒物排放污染环境，因此需要将“穿行”变为“静止”，从根源上避免漏风的产生，将“卧式”变为“立式”，从根源上保证冷却空气的品质，从而有利于后续的余热回收利用[4,5,6]。竖式余热回收装置几乎可以实现烧结余热的全部回收，克服了传统环冷机漏风严重以及只能回收温度较高部分烧结矿余热弊端。改变了环冷机只限于烧结矿冷却而不能高效回收余热的局面。同时烧结矿在竖罐炉的预存段内可以保温，烧结矿的转鼓强度、成品率以及冶金性能方面比传统冷却机有所提高，其次烧结矿在向下移动过程中，烧结矿受机械力作用，脆弱部分及生矿部分得以筛除，成品率得到提高，采用热风冷却后，烧结液相冷却速度变缓，玻璃相相应减小，内应力得到释放，会使烧结矿质量更加均匀[7]。
冷却段是烧结余热竖罐装置内热量交换的重要场所，对装置热回收效率的提高起到决定性的作用。陈士柏等[8]借助多物理场涡合软件Comsol和Fluent模拟了不同气固比以及不同冷却段高度对竖式炉内气体流动，换热特性以及料层阻力特性的影响，在生产能力不变且烧结矿冷却到同一效果时，在一定范围之内，随着冷却段高度的增加，冷却风温度升高，烧结矿温度降低，空气出口携带的火用值先增加之后趋于平缓。实际工业运行过程中，冷却段高度也不能过高，过高的料层会增大气体穿过料层的阻力，导致鼓风机耗能增加，净发电量降低;另外料层过高还会使烧结矿互相挤压、破碎，形成致密堆积层，导致冷却气体无法穿过料层，出现风机憋压的情况。在保持冷却高度不变的情况下，床径比的变化也会对烧结矿冷却产生影响;当床径比增大时，即竖式炉的直径变小时，烧结矿出口温度逐渐减小，冷却风出口温度逐渐增大。余热回收竖式炉的冷却段高度和直径大小对余热的回收起到关键作用，后续的研究可通过大量的实验以及数值模拟来确定最佳冷却段高度及直径。
侯朝军等[9]考虑到单进口进料会导致布料不均匀，采用六口布料的形式，其中六口布料又采用双排三料口的布置方法，保证布料的均匀性。排料也采用六口排料的形式，其中六口排料也采用双排三料口的布置方法。通过均匀布料与均匀排料，实现烧结矿在罐内均匀分布，减少局部偏析，提高烧结矿冷却的均匀性。罐体底部结构为矩形，底部供气装置采用环形供风，锥斗出风形式，环形风道间均匀布置支撑件，罐体的周边冷却风通过十字风道向6个下料口供风，每个料口的中心风帽向料口四周锥斗供风，形成由罐体四周向料口中心再由料口中心向料口四周的供风形式，实现均匀冷却。
孙俊杰等[10]采用离散单元法研究了缓冲仓与竖冷炉内烧结矿颗粒的偏析行为，通过在缓冲仓加入分料板可以缓解一次偏析，在加入分料板之后会使颗粒在中心位置处形成料坑，料坑中心对应两个喉管的中心线，这种布置方式不仅缓解了一次偏析造成的不同喉管处粒度差异问题，还会使喉管处大颗粒增多，有利于提高中心配风的占比。另外在喉管处将原先底部的直通喉管一分为四，增加四个分流管。改造之前烧结矿在喉管下方会形成一个大的堆料，而改造之后会在分流管下部形成四个小的堆料，这种布置方式增加了料层的有效高度，在整个平面上小颗粒会分布的更加均匀，明显改善二次偏析的问题。
毕传光等[11]通过数值模拟的方法，并根据设计院提供的初步条件，对梅钢竖式余热回收装置的炉型进行了选择。根据现有设计的进料方式，矩形竖炉入料口存在严重的烧结矿颗粒的偏析行为，后续可以增加进料口的个数(6个进料口)降低每个下料堆尖因为散料滚动造成的物料偏析，另外采用多排料口实现均匀排料抑制下料过程中物料粒度的进一步偏析。模拟结果表明矩形竖炉炉料运动偏析稍优于圆形截面竖炉;并且矩形竖炉压力损失小于圆形竖炉。因此梅钢选择矩形竖炉作为最终的方案。国内有关竖式余热回收装置形状的文献相对较少，也未进行深入的研究，不同形状的装置在余热回收过程中的利弊仍然需要通过大量的实验及模拟进行确定，从而确定最佳炉型。
2.2 、装置操作参数
装置的操作参数对竖式余热回收装置的余热回收效率产生重要的影响。烧结矿入口温度，冷却风进口温度以及冷却风量都会影响冷却段内气固传热特性。当烧结矿入口温度升高，与冷却空气温度差增大，导致传热量增加。同理冷却空气入口温度减小，也会增加气固之间的换热量。影响换热的操作参数还有气固比、烧结矿粒径、冷却风流速等，基于以上操作参数进行优化对提高余热回收效率具有重要意义。
李明明[12]通过实验研究了单一参数(进口风温，冷却风表观流速等)对竖罐内气固传热的影响。在不同冷却段高度下，冷却风表观流速越大，烧结矿出口温度越小，换热效果越好，原因是随着气体流速增大，烧结矿料层中受到气体扰动的程度不断增强，换热表面的颗粒层更新趋于频繁，换热系数迅速增加导致换热量增加，但是烧结矿出口温度减小的幅度随着表观流速的等大趋于平缓。同一表观流速下，冷却段高度越高，烧结矿出口温度越低，可以更好保证出口烧结矿温度达到工艺要求;并且在同一表观流速下，进口风温度越高，烧结矿出口温度越高，冷却风出口处温度也越高，出口处火用值也越大，在其他条件不变的情况下，冷却风进口温度越小越有利于烧结矿冷却，但是此时冷却风出口处温度降低，火用值减小，因此在确定冷却风进口温度时还需综合考虑火用值的变化情况。
当其他实验参数不变时，床层内烧结矿粒径也会对气固传热效果产生影响，床层内烧结矿粒径越小，气固间的导热热阻就会减小，气固换热面积增大，单位时间内气固换热量就会增大，从而造成床层内气固传热系数增大。
冯军胜等[13]通过实验得到烧结矿颗粒直径越大，出口空气温度和床层内烧结矿温度越低，并且烧结矿冷却至常温的时间随随粒径增大而减小。当床层内烧结矿高度一定时，较大粒径烧结矿会导致床层空隙率增加，床层空隙率的增加又会导致颗粒堆密度减小，床层内烧结矿热容量就会减少，烧结矿冷却速度加快，从而缩短烧结矿到达常温状态的时间。
3 、研究现状
3.1 、冷却气体流动问题
冷却空气流经烧结矿床层的流动状态会直接影响竖式余热回收站装置余热回收的效率，影响冷却空气流动的因素很多，例如床层空隙率、冷却空气表观流速、烧结矿在床层内是否分布均匀等。其中床层空隙率是最重要的一个影响因素，因为床层空隙率与其他各个因素都有不同的联系，只有精确测量空隙率的大小才更有利于其他研究。
张朋刚[14]通过实验得方法先后尝试了断面剖分法、空气流速测量计算法、断面图像分析法测量床层的空隙率，断面剖分法由于环氧树脂流动性差不能进行有效填充，并且在断面切割过程中由于温度过高出现碳化现象，导致剖分后的断面空隙率无法做下一步处理测试;空气流速测量计算方法由于皮托管位置不好选择，不能正常读数，导致测量出来的空隙率精度较差;断面图像分析法目前作为散料床测量空隙率的新方法，运用了高清拍照技术、断面显影技术以及图像处理技术，可以比较准确的测量料层内不同高度处的空隙率分布。张朋刚运用断面图像分析法精确测量了床层径向空隙率分布，并且研究了边缘效应对于床层径向空隙率的影响，对于不规则的烧结矿颗粒，近壁区域径向空隙率受边缘效应影响较大，随着环径比增加，径向空隙率开始趋向于稳定;当床径比小于10，空隙率振荡幅度较大，边缘效应对空隙率的影响十分明显，床径比大于10，边缘效应对于径向空隙率的影响较小，可以忽略。
冯军胜[15]通过实验研究得出影响烧结余热竖罐炉内气体流动的主要因素有烧结矿粒径，床层空隙率以及冷却气体表观流速。其中单位料层压力降与气体表观流速呈现二次方关系，在烧结矿粒径一定的情况下，气体表观流速越大，空气穿过料层单位高度压力降就越大，气体表观流速一定的情况下，颗粒直径的增大会直接导致床层空隙率的增大，单位料层压力降随颗粒直径的增大呈现出指数衰减的关系。
同时冯军胜等[16,17]通过实验方法得到了减小罐体内料层阻力损失的技术途径:尽可能增大罐体内烧结矿的空隙率，设置合理的冷却段高度以及热载体流量。竖罐炉直径越大，冷却风分布不均匀的趋势就越大;冷却段高度越高，气体通过料层的阻力就越大，与之配套的风机全压就越大。并且冷却段高度还会影响出口热空气品质。因此需要对冷却段的高度、竖罐炉的直径、出口热载体热工参数进行综合考虑。
3.2、 烧结矿流动问题
目前现有文献对烧结矿在罐体内部的流动形式报道较少，其中颗粒的流动形式是影响床层利用效率的一个重要因素。一般移动床内颗粒的流动存在两种形式:密相流和中心流。密相流是指容器内全部的物料以相同的速度向出口处运动，下料顺序为先进先出，可以使下料的速度和密度保持均匀;中心流是指容器内物料向下卸出时仅有部分物料流动，在中心线出处物料移动的速度较大，而在边壁处物料的移动速度较小，导致物料流动存在死区，这种现象还会导致后进去的物料先行排出，因此严重的中心流在设计时应加以避免。
郑阳等[18]通过实验研究了移动床内活性焦流动的情况，在有机玻璃上刻上尺度并按照规定尺寸进行裁剪，将玻璃竖直插入在料斗中，在玻璃其中一侧填充活性焦，其中部分活性焦被染成红色，将染色的活性焦间隔一定距离铺在未染色的活性焦上形成若干水平层状，活性焦流动形式通过有机玻璃清晰可见。当锥形下料斗倾角倾角为55。时，下料过程中底部靠近锥斗处标记的部分活性焦没有排出，存在流动死区，判定其为中心流，锥角下料斗倾角为60。时，标记的活性焦均可以排出，流动形式为密相流，因此改变下料斗倾角会影响物料的流动形式。另外郑阳等研究了内设内构建对物料流动的影响，内构建采用相互垂直的“人”字锥可以有效降低颗粒流动的临界高度，并且可以改善颗粒流动的偏析情况。
曹俊等[19]借助欧拉多相流三维数学模型模拟了不同内构建对移动床内颗粒流动的影响，人字形、三角形、八字形三种内构建都可以改善移动床内颗粒的流型，其中三角形内构件在模拟中的效果最佳;加入内构件可以改变与颗粒之间的摩擦力，当颗粒流过内构件时，中心速度会变得缓慢，速度梯度变小，而两边的颗粒速度反而增加，这就使床层中的中心流转换为密相流。
陶贺等[20]采用多元颗粒模型对移动床内流动的椭球形颗粒进行了离散单元数值模拟，通过实验与模拟相结合发现颗粒间的滑动摩擦系数对流型影响很大，滑动摩擦系数越小，颗粒在移动床内流动越接近整体流，摩擦系数越大，流动形式接近漏斗流。滚动摩擦系数对颗粒流型没有影响。
4 、思考
4.1、 装置结构研究有待深入
虽然有部分文献已经涉及采用六口进料与排料，采用矩形罐体，但是大多数都是基于软件模拟的结果，实验数据结果相对较少，因此还需进行大量的实验对布料，排料方式以及罐体的选择进行深入研究。
4.2、 加强对烧结矿流动问题的研究
烧结矿在装置内的流动形式对于之后的余热回收至关重要，要使烧结矿在装置内部实现“整体流”，今后的研究还需集中在装置结构以及装置内壁光滑度等结构参数。目前文献报道只是通过加入内构件的方法减小物料的偏析以及改变烧结矿的流动情况。但是还没有文献报道烧结矿如何在余热回收装置内实现“整体流”，后续还需进行大量的实验以及模拟来确定各个参数以实现烧结矿的“整体流”。
4.3、 烧结余热回收装置有待创新
虽然竖式烧结余热回收装置技术较为成熟，并应用于冶金领域进行余热回收取得了较好的效果，但是实际工业中料层高度会达到数十米，冷风经过料层的阻力会高到10KPa以上，风机耗电量较大，导致最终的净发电量降低，另外料层过高会导致空气流动存在死区，造成憋机现象。在气固传热方面，由于竖罐余热回收装置存在两次热量交换过程，可能存在热量损失。所以烧结余热回收装置在原理，方法和新技术方面都有待突破。
5、 结束语
烧结余热回收装置是极具前景的技术，随着我国钢铁企业对余热回收利用越来越重视，装置的结构以及参数、烧结矿在装置内流动等问题对余热回收效率的影响也逐渐引起了重视，本研究综述分析了国内烧结余热回收相关的研究成果，并进一步指出了目前研究中存在的不足和将来应该重点关注的研究方向。
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