燒結(jié)礦余熱回收裝置技術(shù)發(fā)展綜述

劉丁赫 弋治軍 周托 孫瑞彬 李澤鵬

（1：太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院 山西太原 030024；2：四川川鍋鍋爐有限責(zé)任公司 四川成都 610400；3：清華大學(xué)能源與動力工程系 北京 100084）

1 前言

燒結(jié)是指在高爐煉鐵之前，將粉狀含鐵原料配入適量的燃料，溶劑，加入適量的水在燒結(jié)機上燒結(jié)成塊的過程。中國鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序能耗約占鋼鐵企業(yè)總能耗的15%，是僅次于煉鐵的第二大耗能工序［1］。燒結(jié)過程中余熱資源包括兩部分：燒結(jié)礦顯熱和燒結(jié)煙氣顯熱，分別占燒結(jié)工序總熱量的40%～45%和15%～20%［2］，燒結(jié)余熱屬于中低品質(zhì)的熱源，這部分熱量可以直接回收用于熱風(fēng)燒結(jié)，熱風(fēng)點火助燃以及燒結(jié)混合料干燥，另外也可以用于產(chǎn)生蒸汽，熱水，低溫供暖。因此能夠充分利用這部分熱量對于鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排具有重要意義。在燒結(jié)過程中，燒結(jié)礦欠燒廢氣溫度較高，因此需要熱回收性能更好的裝置回收燒結(jié)余熱。

當(dāng)前燒結(jié)余熱豎罐爐是燒結(jié)余熱回收的主要裝置，相比環(huán)冷機余熱回收工藝流程，該裝置具有余熱回收效率較高、漏風(fēng)率較低，粉塵排放量少等優(yōu)點［3］。目前對于豎罐爐的研究主要集中在裝置結(jié)構(gòu)，冷卻段內(nèi)氣體的流動特性以及氣固傳熱特性，裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)會直接影響余熱回收效率，因此需要對罐體的形狀，進料，排料口的個數(shù)，風(fēng)帽的布置方式等進行優(yōu)化。冷卻段內(nèi)氣體的流動特性以及氣固傳熱的模型是影響燒結(jié)余熱回收的主要影響因素，增強流體流動與優(yōu)化換熱可以提高裝置余熱回收效率。

本文主要綜述分析了燒結(jié)礦豎式余熱回收裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)以及操作參數(shù)的確定、冷卻段內(nèi)氣體流動問題和燒結(jié)礦流動問題，裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，具體闡述影響氣體流速因素的確定方法以及建立的各種傳熱模型等，并對今后的研究方向和研究方法提出觀點以及建議。

2 裝置結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

借鑒干法熄焦中干熄爐結(jié)構(gòu)和工藝，同時參考高爐煉鐵的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)提出了燒結(jié)礦余熱豎罐式回收利用的結(jié)構(gòu)與工藝。環(huán)冷機是在上下所固定的風(fēng)箱中“穿行”，這種“臥式”結(jié)構(gòu)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的漏風(fēng)不可避免，降低余熱回收的效率，同時還會增加顆粒物排放污染環(huán)境，因此需要將“穿行”變?yōu)椤办o止”，從根源上避免漏風(fēng)的產(chǎn)生，將“臥式”變?yōu)椤傲⑹健保瑥母瓷媳ＷC冷卻空氣的品質(zhì)，從而有利于后續(xù)的余熱回收利用［4－6］。豎式余熱回收裝置幾乎可以實現(xiàn)燒結(jié)余熱的全部回收，克服了傳統(tǒng)環(huán)冷機漏風(fēng)嚴(yán)重以及只能回收溫度較高部分燒結(jié)礦余熱弊端。改變了環(huán)冷機只限于燒結(jié)礦冷卻而不能高效回收余熱的局面。同時燒結(jié)礦在豎罐爐的預(yù)存段內(nèi)可以保溫，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度、成品率以及冶金性能方面比傳統(tǒng)冷卻機有所提高，其次燒結(jié)礦在向下移動過程中，燒結(jié)礦受機械力作用，脆弱部分及生礦部分得以篩除，成品率得到提高，采用熱風(fēng)冷卻后，燒結(jié)液相冷卻速度變緩，玻璃相相應(yīng)減小，內(nèi)應(yīng)力得到釋放，會使燒結(jié)礦質(zhì)量更加均勻［7］。

冷卻段是燒結(jié)余熱豎罐裝置內(nèi)熱量交換的重要場所，對裝置熱回收效率的提高起到?jīng)Q定性的作用。陳士柏等［8］借助多物理場渦合軟件Comsol和Fluent模擬了不同氣固比以及不同冷卻段高度對豎式爐內(nèi)氣體流動，換熱特性以及料層阻力特性的影響，在生產(chǎn)能力不變且燒結(jié)礦冷卻到同一效果時，在一定范圍之內(nèi)，隨著冷卻段高度的增加，冷卻風(fēng)溫度升高，燒結(jié)礦溫度降低，空氣出口攜帶的火用值先增加之后趨于平緩。實際工業(yè)運行過程中，冷卻段高度也不能過高，過高的料層會增大氣體穿過料層的阻力，導(dǎo)致鼓風(fēng)機耗能增加，凈發(fā)電量降低；另外料層過高還會使燒結(jié)礦互相擠壓、破碎，形成致密堆積層，導(dǎo)致冷卻氣體無法穿過料層，出現(xiàn)風(fēng)機憋壓的情況。在保持冷卻高度不變的情況下，床徑比的變化也會對燒結(jié)礦冷卻產(chǎn)生影響；當(dāng)床徑比增大時，即豎式爐的直徑變小時，燒結(jié)礦出口溫度逐漸減小，冷卻風(fēng)出口溫度逐漸增大。余熱回收豎式爐的冷卻段高度和直徑大小對余熱的回收起到關(guān)鍵作用，后續(xù)的研究可通過大量的實驗以及數(shù)值模擬來確定最佳冷卻段高度及直徑。

侯朝軍等［9］考慮到單進口進料會導(dǎo)致布料不均勻，采用六口布料的形式，其中六口布料又采用雙排三料口的布置方法，保證布料的均勻性。排料也采用六口排料的形式，其中六口排料也采用雙排三料口的布置方法。通過均勻布料與均勻排料，實現(xiàn)燒結(jié)礦在罐內(nèi)均勻分布，減少局部偏析，提高燒結(jié)礦冷卻的均勻性。罐體底部結(jié)構(gòu)為矩形，底部供氣裝置采用環(huán)形供風(fēng)，錐斗出風(fēng)形式，環(huán)形風(fēng)道間均勻布置支撐件，罐體的周邊冷卻風(fēng)通過十字風(fēng)道向6個下料口供風(fēng)，每個料口的中心風(fēng)帽向料口四周錐斗供風(fēng)，形成由罐體四周向料口中心再由料口中心向料口四周的供風(fēng)形式，實現(xiàn)均勻冷卻。

孫俊杰等［10］采用離散單元法研究了緩沖倉與豎冷爐內(nèi)燒結(jié)礦顆粒的偏析行為，通過在緩沖倉加入分料板可以緩解一次偏析，在加入分料板之后會使顆粒在中心位置處形成料坑，料坑中心對應(yīng)兩個喉管的中心線，這種布置方式不僅緩解了一次偏析造成的不同喉管處粒度差異問題，還會使喉管處大顆粒增多，有利于提高中心配風(fēng)的占比。另外在喉管處將原先底部的直通喉管一分為四，增加四個分流管。改造之前燒結(jié)礦在喉管下方會形成一個大的堆料，而改造之后會在分流管下部形成四個小的堆料，這種布置方式增加了料層的有效高度，在整個平面上小顆粒會分布的更加均勻，明顯改善二次偏析的問題。

畢傳光等［11］通過數(shù)值模擬的方法，并根據(jù)設(shè)計院提供的初步條件，對梅鋼豎式余熱回收裝置的爐型進行了選擇。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計的進料方式，矩形豎爐入料口存在嚴(yán)重的燒結(jié)礦顆粒的偏析行為，后續(xù)可以增加進料口的個數(shù)（6個進料口）降低每個下料堆尖因為散料滾動造成的物料偏析，另外采用多排料口實現(xiàn)均勻排料抑制下料過程中物料粒度的進一步偏析。模擬結(jié)果表明矩形豎爐爐料運動偏析稍優(yōu)于圓形截面豎爐；并且矩形豎爐壓力損失小于圓形豎爐。因此梅鋼選擇矩形豎爐作為最終的方案。國內(nèi)有關(guān)豎式余熱回收裝置形狀的文獻(xiàn)相對較少，也未進行深入的研究，不同形狀的裝置在余熱回收過程中的利弊仍然需要通過大量的實驗及模擬進行確定，從而確定最佳爐型。

2.2 裝置操作參數(shù)

裝置的操作參數(shù)對豎式余熱回收裝置的余熱回收效率產(chǎn)生重要的影響。燒結(jié)礦入口溫度，冷卻風(fēng)進口溫度以及冷卻風(fēng)量都會影響冷卻段內(nèi)氣固傳熱特性。當(dāng)燒結(jié)礦入口溫度升高，與冷卻空氣溫度差增大，導(dǎo)致傳熱量增加。同理冷卻空氣入口溫度減小，也會增加氣固之間的換熱量。影響換熱的操作參數(shù)還有氣固比、燒結(jié)礦粒徑、冷卻風(fēng)流速等，基于以上操作參數(shù)進行優(yōu)化對提高余熱回收效率具有重要意義。

李明明［12］通過實驗研究了單一參數(shù)（進口風(fēng)溫，冷卻風(fēng)表觀流速等）對豎罐內(nèi)氣固傳熱的影響。在不同冷卻段高度下，冷卻風(fēng)表觀流速越大，燒結(jié)礦出口溫度越小，換熱效果越好，原因是隨著氣體流速增大，燒結(jié)礦料層中受到氣體擾動的程度不斷增強，換熱表面的顆粒層更新趨于頻繁，換熱系數(shù)迅速增加導(dǎo)致?lián)Q熱量增加，但是燒結(jié)礦出口溫度減小的幅度隨著表觀流速的等大趨于平緩。同一表觀流速下，冷卻段高度越高，燒結(jié)礦出口溫度越低，可以更好保證出口燒結(jié)礦溫度達(dá)到工藝要求；并且在同一表觀流速下，進口風(fēng)溫度越高，燒結(jié)礦出口溫度越高，冷卻風(fēng)出口處溫度也越高，出口處火用值也越大，在其他條件不變的情況下，冷卻風(fēng)進口溫度越小越有利于燒結(jié)礦冷卻，但是此時冷卻風(fēng)出口處溫度降低，火用值減小，因此在確定冷卻風(fēng)進口溫度時還需綜合考慮火用值的變化情況。

當(dāng)其他實驗參數(shù)不變時，床層內(nèi)燒結(jié)礦粒徑也會對氣固傳熱效果產(chǎn)生影響，床層內(nèi)燒結(jié)礦粒徑越小，氣固間的導(dǎo)熱熱阻就會減小，氣固換熱面積增大，單位時間內(nèi)氣固換熱量就會增大，從而造成床層內(nèi)氣固傳熱系數(shù)增大。

馮軍勝等［13］通過實驗得到燒結(jié)礦顆粒直徑越大，出口空氣溫度和床層內(nèi)燒結(jié)礦溫度越低，并且燒結(jié)礦冷卻至常溫的時間隨隨粒徑增大而減小。當(dāng)床層內(nèi)燒結(jié)礦高度一定時，較大粒徑燒結(jié)礦會導(dǎo)致床層空隙率增加，床層空隙率的增加又會導(dǎo)致顆粒堆密度減小，床層內(nèi)燒結(jié)礦熱容量就會減少，燒結(jié)礦冷卻速度加快，從而縮短燒結(jié)礦到達(dá)常溫狀態(tài)的時間。

3 研究現(xiàn)狀

3.1 冷卻氣體流動問題

冷卻空氣流經(jīng)燒結(jié)礦床層的流動狀態(tài)會直接影響豎式余熱回收站裝置余熱回收的效率，影響冷卻空氣流動的因素很多，例如床層空隙率、冷卻空氣表觀流速、燒結(jié)礦在床層內(nèi)是否分布均勻等。其中床層空隙率是最重要的一個影響因素，因為床層空隙率與其他各個因素都有不同的聯(lián)系，只有精確測量空隙率的大小才更有利于其他研究。

張朋剛［14］通過實驗得方法先后嘗試了斷面剖分法、空氣流速測量計算法、斷面圖像分析法測量床層的空隙率，斷面剖分法由于環(huán)氧樹脂流動性差不能進行有效填充，并且在斷面切割過程中由于溫度過高出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，導(dǎo)致剖分后的斷面空隙率無法做下一步處理測試；空氣流速測量計算方法由于皮托管位置不好選擇，不能正常讀數(shù)，導(dǎo)致測量出來的空隙率精度較差；斷面圖像分析法目前作為散料床測量空隙率的新方法，運用了高清拍照技術(shù)、斷面顯影技術(shù)以及圖像處理技術(shù)，可以比較準(zhǔn)確的測量料層內(nèi)不同高度處的空隙率分布。張朋剛運用斷面圖像分析法精確測量了床層徑向空隙率分布，并且研究了邊緣效應(yīng)對于床層徑向空隙率的影響，對于不規(guī)則的燒結(jié)礦顆粒，近壁區(qū)域徑向空隙率受邊緣效應(yīng)影響較大，隨著環(huán)徑比增加，徑向空隙率開始趨向于穩(wěn)定；當(dāng)床徑比小于10，空隙率振蕩幅度較大，邊緣效應(yīng)對空隙率的影響十分明顯，床徑比大于10，邊緣效應(yīng)對于徑向空隙率的影響較小，可以忽略。

馮軍勝［15］通過實驗研究得出影響燒結(jié)余熱豎罐爐內(nèi)氣體流動的主要因素有燒結(jié)礦粒徑，床層空隙率以及冷卻氣體表觀流速。其中單位料層壓力降與氣體表觀流速呈現(xiàn)二次方關(guān)系，在燒結(jié)礦粒徑一定的情況下，氣體表觀流速越大，空氣穿過料層單位高度壓力降就越大，氣體表觀流速一定的情況下，顆粒直徑的增大會直接導(dǎo)致床層空隙率的增大，單位料層壓力降隨顆粒直徑的增大呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的關(guān)系。

同時馮軍勝等［16－17］通過實驗方法得到了減小罐體內(nèi)料層阻力損失的技術(shù)途徑：盡可能增大罐體內(nèi)燒結(jié)礦的空隙率，設(shè)置合理的冷卻段高度以及熱載體流量。豎罐爐直徑越大，冷卻風(fēng)分布不均勻的趨勢就越大；冷卻段高度越高，氣體通過料層的阻力就越大，與之配套的風(fēng)機全壓就越大。并且冷卻段高度還會影響出口熱空氣品質(zhì)。因此需要對冷卻段的高度、豎罐爐的直徑、出口熱載體熱工參數(shù)進行綜合考慮。

3.2 燒結(jié)礦流動問題

目前現(xiàn)有文獻(xiàn)對燒結(jié)礦在罐體內(nèi)部的流動形式報道較少，其中顆粒的流動形式是影響床層利用效率的一個重要因素。一般移動床內(nèi)顆粒的流動存在兩種形式：密相流和中心流。密相流是指容器內(nèi)全部的物料以相同的速度向出口處運動，下料順序為先進先出，可以使下料的速度和密度保持均勻；中心流是指容器內(nèi)物料向下卸出時僅有部分物料流動，在中心線出處物料移動的速度較大，而在邊壁處物料的移動速度較小，導(dǎo)致物料流動存在死區(qū)，這種現(xiàn)象還會導(dǎo)致后進去的物料先行排出，因此嚴(yán)重的中心流在設(shè)計時應(yīng)加以避免。

鄭陽等［18］通過實驗研究了移動床內(nèi)活性焦流動的情況，在有機玻璃上刻上尺度并按照規(guī)定尺寸進行裁剪，將玻璃豎直插入在料斗中，在玻璃其中一側(cè)填充活性焦，其中部分活性焦被染成紅色，將染色的活性焦間隔一定距離鋪在未染色的活性焦上形成若干水平層狀，活性焦流動形式通過有機玻璃清晰可見。當(dāng)錐形下料斗傾角傾角為55。時，下料過程中底部靠近錐斗處標(biāo)記的部分活性焦沒有排出，存在流動死區(qū)，判定其為中心流，錐角下料斗傾角為60。時，標(biāo)記的活性焦均可以排出，流動形式為密相流，因此改變下料斗傾角會影響物料的流動形式。另外鄭陽等研究了內(nèi)設(shè)內(nèi)構(gòu)建對物料流動的影響，內(nèi)構(gòu)建采用相互垂直的“人”字錐可以有效降低顆粒流動的臨界高度，并且可以改善顆粒流動的偏析情況。

曹俊等［19］借助歐拉多相流三維數(shù)學(xué)模型模擬了不同內(nèi)構(gòu)建對移動床內(nèi)顆粒流動的影響，人字形、三角形、八字形三種內(nèi)構(gòu)建都可以改善移動床內(nèi)顆粒的流型，其中三角形內(nèi)構(gòu)件在模擬中的效果最佳；加入內(nèi)構(gòu)件可以改變與顆粒之間的摩擦力，當(dāng)顆粒流過內(nèi)構(gòu)件時，中心速度會變得緩慢，速度梯度變小，而兩邊的顆粒速度反而增加，這就使床層中的中心流轉(zhuǎn)換為密相流。

陶賀等［20］采用多元顆粒模型對移動床內(nèi)流動的橢球形顆粒進行了離散單元數(shù)值模擬，通過實驗與模擬相結(jié)合發(fā)現(xiàn)顆粒間的滑動摩擦系數(shù)對流型影響很大，滑動摩擦系數(shù)越小，顆粒在移動床內(nèi)流動越接近整體流，摩擦系數(shù)越大，流動形式接近漏斗流。滾動摩擦系數(shù)對顆粒流型沒有影響。

4 思考

4.1 裝置結(jié)構(gòu)研究有待深入

雖然有部分文獻(xiàn)已經(jīng)涉及采用六口進料與排料，采用矩形罐體，但是大多數(shù)都是基于軟件模擬的結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果相對較少，因此還需進行大量的實驗對布料，排料方式以及罐體的選擇進行深入研究。

4.2 加強對燒結(jié)礦流動問題的研究

燒結(jié)礦在裝置內(nèi)的流動形式對于之后的余熱回收至關(guān)重要，要使燒結(jié)礦在裝置內(nèi)部實現(xiàn)“整體流”，今后的研究還需集中在裝置結(jié)構(gòu)以及裝置內(nèi)壁光滑度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前文獻(xiàn)報道只是通過加入內(nèi)構(gòu)件的方法減小物料的偏析以及改變燒結(jié)礦的流動情況。但是還沒有文獻(xiàn)報道燒結(jié)礦如何在余熱回收裝置內(nèi)實現(xiàn)“整體流”，后續(xù)還需進行大量的實驗以及模擬來確定各個參數(shù)以實現(xiàn)燒結(jié)礦的“整體流”。

4.3 燒結(jié)余熱回收裝置有待創(chuàng)新

雖然豎式燒結(jié)余熱回收裝置技術(shù)較為成熟，并應(yīng)用于冶金領(lǐng)域進行余熱回收取得了較好的效果，但是實際工業(yè)中料層高度會達(dá)到數(shù)十米，冷風(fēng)經(jīng)過料層的阻力會高到10KPa以上，風(fēng)機耗電量較大，導(dǎo)致最終的凈發(fā)電量降低，另外料層過高會導(dǎo)致空氣流動存在死區(qū)，造成憋機現(xiàn)象。在氣固傳熱方面，由于豎罐余熱回收裝置存在兩次熱量交換過程，可能存在熱量損失。所以燒結(jié)余熱回收裝置在原理，方法和新技術(shù)方面都有待突破。

5 結(jié)束語

燒結(jié)余熱回收裝置是極具前景的技術(shù)，隨著我國鋼鐵企業(yè)對余熱回收利用越來越重視，裝置的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)、燒結(jié)礦在裝置內(nèi)流動等問題對余熱回收效率的影響也逐漸引起了重視，本研究綜述分析了國內(nèi)燒結(jié)余熱回收相關(guān)的研究成果，并進一步指出了目前研究中存在的不足和將來應(yīng)該重點關(guān)注的研究方向。