高爐蓄熱緩沖器傳熱模型及緩沖能力研究

毛華芳，田國(guó)慶，潘 宏，劉孝清，魏光建

（中冶南方工程技術(shù)有限公司動(dòng)力事業(yè)部，湖北武漢，430223）

高爐蓄熱緩沖器傳熱模型及緩沖能力研究

毛華芳，田國(guó)慶，潘 宏，劉孝清，魏光建

（中冶南方工程技術(shù)有限公司動(dòng)力事業(yè)部，湖北武漢，430223）

以武鋼新3＃高爐引進(jìn)的蓄熱緩沖器為研究對(duì)象，建立其二維傳熱模型，運(yùn)用該模型研究蓄熱緩沖器用于布袋除塵工藝中異常工況下的緩沖能力。模型計(jì)算結(jié)果及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，該蓄熱緩沖器滿足布袋除塵工藝緩沖要求。

蓄熱緩沖器；傳熱；建模；緩沖能力

武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司對(duì)原引進(jìn)的新3＃高爐煤氣干式電除塵技術(shù)進(jìn)行改造，在保留原配套引進(jìn)的蓄熱緩沖器［1］的基礎(chǔ)上將干式電除塵器更換為布袋式除塵器。為弄清該蓄熱緩沖器的緩沖效果，本文以該蓄熱緩沖器為研究對(duì)象，建立二維傳熱模型，對(duì)蓄熱緩沖器用于布袋除塵工藝的緩沖能力及效果進(jìn)行研究。

1 基本假設(shè)及簡(jiǎn)化物理模型

對(duì)蓄熱緩沖器假設(shè)如下：①蓄熱室同一高度截面上，各孔煤氣的流量、流速及換熱量相同；②格子磚及煤氣的熱物性僅為溫度的函數(shù)；③忽略不同格子磚的熱物性差異；④忽略磚體間的接觸熱阻；⑤忽略蓄熱緩沖器外部的熱損失。基于以上假設(shè)，各孔氣流及傳熱情況相似，相鄰孔之間視作絕熱，任一格孔與其周圍磚體的傳熱情況均可視同于蓄熱器內(nèi)的傳熱情況。取對(duì)稱尺寸的正六邊形格子磚為換熱單元，將正六邊形空心柱體簡(jiǎn)化為相同內(nèi)徑和當(dāng)量外徑的空心圓柱體，蓄熱室換熱通道簡(jiǎn)化物理模型如圖1所示。

簡(jiǎn)化格子磚當(dāng)量外徑為

式中：As為單個(gè)格子磚的端面積（包括格子磚內(nèi)孔），m2；Ns為單個(gè)格子磚有效通孔數(shù)。

2 傳熱模型

2.1 傳熱分析

由重力除塵器排出的半凈煤氣中含有大量的CO2和H2O，其溫度較高，具有較強(qiáng)的熱輻射能力［2］，故蓄熱緩沖器通道內(nèi)同時(shí)存在輻射換熱和對(duì)流換熱［3－4］。

圖1 蓄熱室換熱通道簡(jiǎn)化物理模型Fig.1 Simplified physical model of regenerator channels

2.1.1 耐火磚格孔內(nèi)煤氣對(duì)流換熱系數(shù)hcv

式中：C為格孔表面特征系數(shù)，對(duì)于表面平滑的格子磚，C值取1；vg為格孔內(nèi)煤氣的流速，m／s；ds為格子磚通孔內(nèi)徑，m；Tg為蓄熱器通道內(nèi)煤氣溫度，K。

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)尺寸及煤氣量，蓄熱體格孔內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)用雷諾數(shù)描述：

式中：ρg為煤氣的密度，kg／m3；μ為氣體動(dòng)力黏度（其是溫度的函數(shù)［4］），由于高爐煤氣為混合氣體，且壓力不高，其動(dòng)力黏度可用下式計(jì)算：

式中：Xi為各組分的體積分?jǐn)?shù)；M1為各組分的摩爾質(zhì)量，g／mol；μi為各組分在此工況下的動(dòng)力黏度，Pa·s。

2.1.2 煤氣與蓄熱體之間的輻射換熱系數(shù)hr

式中：Ts為蓄熱體的溫度，K；ε′s和εg分別為蓄熱體和煤氣的有效發(fā)射率；αg為煤氣的有效吸收率。其中：

式中：L為煤氣輻射的平均射線行程，L＝0.95ds；P為氣體分壓，Pa。

2.2 傳熱模型

蓄熱緩沖器內(nèi)部的傳熱主要包括3部分：煤氣與格孔內(nèi)表面的對(duì)流換熱，煤氣與格孔內(nèi)表面的輻射換熱，蓄熱體自身的導(dǎo)熱。

2.2.1 格子磚導(dǎo)熱模型

根據(jù)上述假設(shè)，蓄熱體為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱模型可簡(jiǎn)化為軸向和徑向二維傳熱模型，且格子磚不含熱內(nèi)源，故蓄熱體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程簡(jiǎn)化為

為煤氣與格孔內(nèi)壁的綜合換熱系數(shù)，h＝hcv＋hr，用于蓄熱體內(nèi)部時(shí)，qh＝0；ro為格孔的半徑，m。

2.2.2 格孔內(nèi)煤氣傳熱模型

由于格孔內(nèi)徑較小，煤氣流速較大，且煤氣中存在的顆粒雜質(zhì)對(duì)氣流有擾動(dòng)作用，故不考慮格孔流體的徑向溫差，僅考慮軸向的溫度分布。根據(jù)傳熱能量控制方程及粗糙管壁的換熱方程，煤氣在格孔內(nèi)的換熱控制方程為

混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)為

不考慮煤氣壓力的變化，調(diào)用Refprop數(shù)據(jù)庫(kù)按照煤氣成分?jǐn)M合，煤氣的定壓比熱容cp，g和密度ρp，g分別為

蓄熱體的比熱容cps和導(dǎo)熱系數(shù)λs可表示為蓄熱體平均溫度的一次線性函數(shù)（不考慮相變）［3］：

2.2.3 模型定解條件

為了較全面模擬蓄熱緩沖器的工作狀況，需對(duì)蓄熱緩沖器從冷啟動(dòng)開始至進(jìn)口溫度波動(dòng)異常工況進(jìn)行模擬。本文用均勻初始溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，即：Ts（z，r）＝Ts0，其中，Ts0為蓄熱體初始溫度（可取室溫）。由于蓄熱體的高度遠(yuǎn)大于其端面直徑，所以蓄熱體的頂部截面和底部截面及外壁處均按絕熱邊界條件處理，即：

對(duì)進(jìn)口溫度做定值處理，即

式中：Tgl為高爐正常工況時(shí)進(jìn)口溫度；Tgh為高爐異常工況時(shí)進(jìn)口溫度。

3 蓄熱緩沖器緩沖能力分析

蓄熱緩沖器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，計(jì)算用高爐煤氣參數(shù)如表2所示。以表1、表2中參數(shù)為基礎(chǔ)，將蓄熱器結(jié)構(gòu)尺寸、煤氣及蓄熱體的物性參數(shù)等代入上述模型，用控制容積法離散，在空間和時(shí)間層上作gauss－saidel迭代，即可求得蓄熱緩沖器內(nèi)諸節(jié)點(diǎn)所有時(shí)刻的溫度及出口溫度的變化。

表1 蓄熱緩沖器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of thermal storage buffer

表2 計(jì)算用高爐煤氣參數(shù)（NKK設(shè)計(jì)值）Table 2 Parameters of blast furnace used in calculation

圖2 高溫異常工況下蓄熱緩沖器出口溫度變化Fig.2 Temperature change of outlet with the inlet under abnormal high temperature conditions

高溫異常工況下蓄熱緩沖器出口溫度隨進(jìn)口溫度變化曲線如圖2所示。從圖2中可看出，蓄熱緩沖器剛啟動(dòng)時(shí)，出口溫度為室溫，最初幾分鐘內(nèi)低于100℃，出現(xiàn)懸料工況時(shí)，蓄熱緩沖器進(jìn)口溫度從180℃迅速升至1 000℃，并持續(xù)5 min，此時(shí)蓄熱緩沖器出口溫度從180℃升至256.9℃，保證了布袋除塵器進(jìn)口溫度在規(guī)定的許用溫度范圍內(nèi)。分析正常工況下爐頂煤氣溫度連續(xù)走高異常情況，當(dāng)蓄熱緩沖器進(jìn)口溫度升至650℃（持續(xù)6 min）時(shí)，出口溫度為268.55℃，該值高于進(jìn)口溫度為1 000℃時(shí)的出口溫度值。這是由于此時(shí)格孔內(nèi)的輻射換熱明顯加劇，蓄熱緩沖器軸向溫差增大，此時(shí)若間隔15 min后再升至650℃（持續(xù)10 min），則蓄熱緩沖器出口溫度最高為332.5℃，該值基本滿足布袋除塵工藝要求。

高低溫異常工況下蓄熱緩沖器出口溫度隨進(jìn)口溫度變化曲線如圖3所示。從圖3中可看出，當(dāng)蓄熱緩沖器進(jìn)口溫度在24 min內(nèi)連續(xù)兩次從180℃升至650℃（持續(xù)6 min）時(shí)，蓄熱緩沖器出口溫度最高為309.6℃，此時(shí)進(jìn)口溫度若迅速降至60℃（持續(xù)6 min），則出口溫度仍高達(dá)219.97℃。當(dāng)蓄熱緩沖器進(jìn)口溫度在20 min內(nèi)連續(xù)兩次降至60℃（分別持續(xù)8 min和6 min）時(shí)，其出口溫度最低為112.95℃，仍滿足布袋除塵工藝要求。

圖3 高低溫異常工況下蓄熱緩沖器出口溫度變化Fig.3 Temperature change of outlet with the inlet under abnormal temperature conditions

圖4為武鋼新3＃高爐蓄熱緩沖器（某日）進(jìn)出口溫度波動(dòng)實(shí)測(cè)曲線。從圖4中可看出，高爐正常運(yùn)行期間，蓄熱緩沖器進(jìn)口溫度隨高爐布料情況呈周期性小幅波動(dòng)，而通過蓄熱緩沖器后的出口溫度則為一條近似水平的曲線，溫度緩沖效果非常明顯。

圖4 蓄熱緩沖器進(jìn)出口溫度波動(dòng)實(shí)測(cè)曲線Fig.4 Temperature fluctutation curves at the import and export of heat sturage buffer

為驗(yàn)證計(jì)算的可靠性，對(duì)武鋼新3＃高爐蓄熱緩沖器進(jìn)口溫度實(shí)測(cè)值進(jìn)行簡(jiǎn)化，用NKK數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，爐頂溫度異常情況模擬曲線如圖5所示。從圖5中可看出，高爐爐頂煤氣溫度出現(xiàn)了異常波動(dòng)，進(jìn)口溫度由240℃瞬間升至480℃，20 min后再次升至577℃，前后持續(xù)近30 min。計(jì)算結(jié)果表明，蓄熱緩沖器出口溫度瞬間最高達(dá)329℃，而實(shí)測(cè)值最高為348℃，誤差僅為5.4%，其中高于260℃的時(shí)間與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，長(zhǎng)達(dá)60 min左右。

圖5 爐頂溫度異常情況模擬曲線Fig.5 Top temperature simulation curves at abnormal situation

4 結(jié)語(yǔ)

武鋼新3＃高爐NKK蓄熱緩沖器對(duì)于高爐爐頂煤氣溫度波動(dòng)起到了緩沖作用，避免了因煤氣放散或?yàn)⑺禍匾鸬哪芰繐p耗及其給布袋除塵系統(tǒng)帶來的危害。對(duì)緩沖器進(jìn)行合理的尺寸設(shè)計(jì)，可使進(jìn)入布袋式除塵設(shè)備的煤氣溫度波動(dòng)范圍大幅減小。該蓄熱緩沖器滿足布袋式除塵工藝緩沖要求。

［1］ 李東邁.高爐煤氣干式電除塵技術(shù)淺談［J］.冶金環(huán)境環(huán)保，2000（5）：34－36.

［2］ 卡里爾E E，陳熙.燃燒室與工業(yè)爐的模擬［M］.周曉青，譯.北京：科學(xué)出版社，1987.

［3］ 項(xiàng)鐘庸，郭慶弟.蓄熱式熱風(fēng)爐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1988：185－197.

［4］ David R Lide.Handbook of chemistry and physics［M］.CRC Press，2010.

［5］ 楊世銘.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998：253.

［6］ 天津大學(xué)基本有機(jī)化工教研室.基本有機(jī)化學(xué)工程［M］.北京：人民教育出版社，1978.

Two－dimensional heat transfer modeling and buffering capacity of thermal storage buffer in the blast furnace

Mao Huafang，Tian Guoqing，Pan Hong，Liu Xiaoqing，Wei Guangjian
（Power Department，WISDRI Engineering and Research Incorporation Ltd，Wuhan 430223，China）

This paper presents a two－dimensional heat transfer model for the thermal storage buffer imported from Japan and installed in the new 3＃Blast Furnace of Wuhan Iron and Steel Corporation.Aided by the model，it studies the buffering capacity of the thermal storage buffer when used in the bag filter in abnormal conditions.Comparison of the calculation results by the model and the measured data shows that the thermal storage buffer meets the requirements of the bag filter.

thermal storage buffer；heat transfer；modeling；buffering capacity

TF578.3

A

1674－3644（2012）04－0264－04

［責(zé)任編輯 彭金旺］

2011－12－01

毛華芳（1984－），男，中冶南方工程技術(shù)有限公司助理工程師.E－mail：16064＠wisdri.com