燒結(jié)煙氣循環(huán)罩導流裝置的數(shù)值模擬與優(yōu)化

彭坤乾

（1.北京首鋼國際工程技術有限公司燒結(jié)球團事業(yè)部，北京 100043；2.北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心，北京 100043）

引 言

鐵礦燒結(jié)過程排放的氣體污染物約占鋼鐵冶煉過程排放總量40%[1]，燒結(jié)廢氣產(chǎn)生的污染已經(jīng)成為制約中國鋼鐵行業(yè)持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展的一個重要因素。目前國家已提出鋼鐵行業(yè)燒結(jié)、球團等工序超低排放限值，要求企業(yè)建立源頭減排、過程控制和末端治理的多污染物超低排放技術體系[2-5]。

燒結(jié)煙氣循環(huán)技術是利用一部分熱廢氣通過煙氣循環(huán)罩再次進入燒結(jié)料面重新參與燒結(jié)反應的過程控制技術，是減少煙氣排放、污染物排放和重復利用煙氣余熱和改善燒結(jié)礦質(zhì)量的一種有效途徑，該工藝已于2014年被列入國家大氣污染防治重點工業(yè)行業(yè)清潔生產(chǎn)推廣技術之一。

國內(nèi)外大量研究主要集中在煙氣循環(huán)技術路線，過程反應機理，污染物減排模型和實際應用情況[6-14]等方面，而針對煙氣循環(huán)系統(tǒng)管道、混合器、循環(huán)煙罩等設備本身的研究并不多。許源等[15]利用CFD軟件針對煙氣分配器的流場進行了數(shù)值模擬，得出主管管徑對各支管流量分配產(chǎn)生影響，多級變徑結(jié)構(gòu)中，流量比標準偏差最小時，各支管流量分配更均勻。任偉等[16]對沙鋼4號燒結(jié)機煙氣循環(huán)系統(tǒng)的煙氣分配器及循環(huán)煙罩進行數(shù)值模擬，煙氣分配器安裝在循環(huán)煙罩的上部時，循環(huán)煙氣吹掃范圍在料面寬度方向上達到完全覆蓋。楊正偉等[17]應用流體仿真軟件，對燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)的混合器、分配器及循環(huán)罩進行建模和流場仿真，得出單側(cè)進風方式的煙氣循環(huán)罩氣流在臺車寬度方向上偏向于另一側(cè)，需要提高煙罩高度和增設導流板。

煙氣循環(huán)罩架設在燒結(jié)料層上部，下出風口緊貼燒結(jié)料層。目前國內(nèi)主要有兩種形式的煙氣循環(huán)罩，側(cè)進風弧形罩和頂進風矩形罩。側(cè)進風弧形罩占用燒結(jié)主廠房高度空間小，且煙氣循環(huán)技改以舊有燒結(jié)機為主，原燒結(jié)主廠房設計并未預留足夠高度空間，國內(nèi)主要為側(cè)進風弧形罩。側(cè)進風弧形罩存在弊端是內(nèi)部流場分布不均，循環(huán)熱風在料層處流場分布不均勻，部分料層沒有循環(huán)熱風通過，降低料面熱風吸收量，進而降低煙氣循環(huán)率，甚至會出現(xiàn)廢氣在煙罩邊側(cè)集聚引起外溢。料層處流場分布不均同時會導致料層燒結(jié)氣氛不均，燃燒過程不均，甚至加劇邊緣效應，進而影響燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量的穩(wěn)定。在精細化燒結(jié)技術大背景下，亟需研發(fā)燒結(jié)煙氣循環(huán)均氣罩，控制循環(huán)煙氣在煙氣罩內(nèi)流動狀態(tài)，提升煙氣循環(huán)應用效果，利于燒結(jié)順行。

本文針對某鋼鐵企業(yè)500 m2燒結(jié)機煙氣循環(huán)系統(tǒng)，建立單個模塊側(cè)進風弧形罩物理模型、劃分網(wǎng)格、并采用ANSYS FLUENT軟件進行數(shù)值模擬和流場分析，通過組合不同型式的導流裝置，優(yōu)化煙罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)，控制循環(huán)煙氣在煙氣罩內(nèi)流動狀態(tài)，實現(xiàn)循環(huán)煙氣均布于料面，提升煙氣循環(huán)應用效果，助力于實現(xiàn)均質(zhì)化燒結(jié)。

1 無導流煙氣循環(huán)罩模型的構(gòu)建

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

圖1為某鋼鐵企業(yè)500 m2燒結(jié)機煙氣循環(huán)系統(tǒng)單個模塊煙氣循環(huán)罩簡化后物理模型。模型弧板直徑5900 mm，寬度4000 mm，弧板下直段650 mm×4000mm，進風口尺寸800 mm×1500 mm，出風口尺寸5670 mm×4000 mm，側(cè)部檔風板尺寸115 mm×4000 mm。為分別研究導流板、薄壁均布孔板和導流筒對煙氣罩內(nèi)流場的影響，初始階段不配置任何導流裝置。

采用ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，優(yōu)先采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，后期導流裝置比較復雜，難以用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時采用四面體和六面體混合網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格高度按照Y+值50預估，網(wǎng)格總數(shù)約200萬。圖2為煙氣循環(huán)罩的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.6。

1.2 基本假設

因燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)比較復雜，全部煙氣罩做模擬難以保證精度，本文以單個煙氣罩模塊為研究對象，研究煙氣罩內(nèi)流場分布和出風口風流均布情況，在保證模擬精度條件下做如下假設：

（1）循環(huán)罩煙氣出口即燒結(jié)料層入口，料層表面高度均勻，表壓一致；

（2）因系統(tǒng)負壓很低，循環(huán)煙氣按不可壓縮流體考慮；

（3）不考慮系統(tǒng)換熱，并忽略煙氣中顆粒物對流場的影響。

1.3 控制方程

根據(jù)表1，煙氣入口、出口雷諾數(shù)遠大于4000，煙罩內(nèi)氣體流動為湍流，采用工業(yè)應用廣泛的基于雷諾平均RANS標準型k-epsilon渦黏模型，近壁面采用壁面函數(shù)法。主要求解方程如下：

表1 煙氣進出口參數(shù)

連續(xù)性方程的微分形式：

式中ρ為流體密度，kg/m3；v為流速矢量場，m/s；?為哈密爾頓算子；Sm為源相，是從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量，本系統(tǒng)Sm=0。

根據(jù)基本假設，流體是不可壓縮流，則流體密度ρ為常數(shù)，連續(xù)性方程簡化為方程（2），即在流體所有位置，速度場的散度等于零。

動量方程的微分形式：

式中p為流體壓力，Pa；?2為拉普拉斯算子；μ為黏度系數(shù)，Pa·s；F為體積力，包括重力、慣性力、電磁力等，N/m3。

1.4 煙氣條件及邊界條件

單風箱循環(huán)罩煙氣進出口參數(shù)如表1所示。

單風箱循環(huán)罩邊界條件如表2所示，煙氣入口速度7.716 m/s，煙氣出口表壓-20 Pa。

表2 邊界條件

1.5 評價指標

采用方差來描述某一截面物理參數(shù)的均布情況，方差越小，越接近0，表明分布越均勻，如下式：

式中s2為方差；為離散點物理參數(shù)平均值；xi為各離散點物理參數(shù)值。

2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)流場仿真結(jié)果，截取了煙氣循環(huán)罩進氣中心截面和罩內(nèi)兩個水平截面的速度云圖，水平截面位置分別高于煙氣出口料面1 m和2 m，并繪制了煙氣出口（燒結(jié)料面）處的三維速度云圖，如圖3所示。在無任何導流裝置的側(cè)進風弧型罩內(nèi)，為防止煙氣沿弧形罩直接流出臺車外側(cè)，配置了側(cè)部擋風板，控制煙氣出口尺寸小于燒結(jié)料面。根據(jù)截面速度云圖，煙氣分布非常不均，由于慣性作用直接沖向進氣口對面?zhèn)然⌒握謧?cè)壁，并沿著弧形板往下沖擊側(cè)部檔風板，然后從進氣中心截面右側(cè)窄條區(qū)域大量排出，并在左半?yún)^(qū)形成回流。煙罩內(nèi)最高流速9.87 m/s，煙氣出口最高流速6.2152 m/s，速度方差1.8333。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案與仿真分析

3.1 增加固定弧形導流板

針對無任何導流裝置的側(cè)進風弧型罩內(nèi)流場分布不均勻問題，在煙氣入口和煙氣罩弧板交接位置增加3塊固定弧形導流板，如圖4所示，將入口煙氣分為4層進行整流，上層導流板間距略小于下層間距，導流板弧度從上往下逐漸變大。優(yōu)化后的截面速度云圖如圖5所示，罩內(nèi)流場分布改善明顯，在煙氣出口X=-1 m和Z=0 m位置形成1個煙氣主峰，煙罩右側(cè)壁形成2個煙氣副峰，導流板上部流速偏高，主要煙氣整體偏向于煙罩右側(cè)。煙罩內(nèi)最高流速10.13 m/s，煙氣出口最高流速5.8365 m/s，下降了6.09%；速度方差1.5135，下降了17.44%。

3.2 增加活動導流板

針對增加固定弧形導流板后，流場分布仍整體偏向于煙罩右側(cè)問題，在煙氣入口前端增加2塊活動導流板，如圖6所示?；顒訉Я靼蹇筛鶕?jù)入口風量、風流偏析情況，手動調(diào)整與水平面的夾角，控制進入固定弧形導流板上下4層煙氣的流量。本模擬上導流板與水平面夾角設置為10°，下導流板與水平面夾角設置為15°。優(yōu)化后的截面速度云圖如圖7所示，罩內(nèi)流場分布有所改善，在煙氣出口X=0 m和Z=0 m位置形成1個煙氣主峰，煙氣主峰移至煙罩中心區(qū)域，煙罩右側(cè)壁形成2個煙氣副峰高度有所下降，固定弧形導流板上部流速下降，主要煙氣分布于煙罩中部，部分偏向于煙罩右側(cè)。煙罩內(nèi)最高流速11.18 m/s，煙氣出口最高流速5.93 m/s，提高了1.6%；速度方差1.524，提高了0.7%。雖然煙氣出口最大流速和方差比直接采用固定弧形導流板情況略高，但由于煙氣主峰朝著中心區(qū)域移動，更利于熱風燒結(jié)過程穩(wěn)定。

3.3 增加固定立式導流板

通過活動導流板整流后，出口煙氣主峰在煙罩中心區(qū)域，但存在中心區(qū)域風量大、峰值高、風流過于集中的問題。為此，在固定弧形導流板處增加2個立式導流板，如圖8所示，將進口中心煙氣進行分流，緩解中心區(qū)域風流集中問題。優(yōu)化后的截面速度云圖如圖9所示，罩內(nèi)流場分布改善明顯，在煙氣出口形成2個煙氣主峰，煙氣出口最高流速和方差下降明顯，煙罩右側(cè)壁形成煙氣副峰區(qū)域連在一起比較平緩。主要煙氣分布于煙罩中部，相對均勻，部分偏向于煙罩右側(cè)。煙罩內(nèi)最高流速13.06 m/s，煙氣出口最高流速4.7175 m/s，下降了20.45%；速度方差1.1204，下降了26.48%。

3.4 增加薄壁均布孔板

雖然通過增加固定弧形導流板、活動導流板和固定立式導流板形式對煙罩內(nèi)氣流進行整流，流場分布明顯改善，但仍然存在煙氣在煙罩中部集中且部分偏向于右側(cè)問題。為此，在煙氣出口上方1.95 m處增加薄壁均布孔板，如圖10所示，共布置7×9個均布孔，孔直徑200 mm。仿真后的截面速度云圖如圖11所示，罩內(nèi)流場分布變化巨大，煙氣出口最高流速和速度方差急劇下降，煙罩內(nèi)最高流速11.36 m/s，煙氣出口最高流速3.1123 m/s，下降了34.03%；煙氣出口速度方差0.4516，下降了59.70%。薄壁均布孔板明顯改變煙氣水平流動情況，煙氣在觸及均布孔外部實體板時，會改變氣流向周圍擴散，氣流以一定的水平角度穿過孔板，無法形成垂直于孔板的理想均布流場。煙罩中部區(qū)域煙氣出口主峰消失，在煙罩中部區(qū)域內(nèi)圈形成低速洼地，煙罩側(cè)邊煙氣流速高增加了外溢的可能性，且主要煙氣出口分布仍偏向于煙罩右側(cè)，雖然煙氣出口最高流速和速度方差急劇下降，不是煙氣循環(huán)所需的理想流場分布。

3.5 增加均布導流筒

采用薄壁均布孔板雖然氣出口最高流速和速度方差急劇下降，但存在煙罩側(cè)邊煙氣流速高、中部區(qū)域內(nèi)圈形成低速洼地和氣流仍偏向于煙罩右側(cè)的問題。為此，將薄壁均布孔板替換為導流筒，在煙氣出口上1.75～1.95 m范圍內(nèi)布置7×9個均布導流筒，孔直徑200 mm，如圖12所示。優(yōu)化后的截面速度云圖如圖13所示，煙氣出口最高流速和速度方差急劇下降，罩內(nèi)流場分布比較理想，在煙氣出口中部區(qū)域形成均勻煙氣群峰，煙罩側(cè)壁區(qū)域煙氣流速較低，利于控制煙氣外溢，且煙氣偏向于煙罩右側(cè)問題得到有效解決。與采用固定弧形導流板、活動導流板和固定立式導流板組合對比，煙罩內(nèi)最高流速11.09 m/s，下降了15.08%；煙氣出口最高流速3.0256 m/s，下降了35.86%；速度方差0.2392，下降了78.65%。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析與應用展望

通過上述煙氣循環(huán)罩無導流板（Ⅰ）、固定弧形導流板（Ⅱ）、活動導流板（Ⅲ）、立式導流板（Ⅳ）、薄壁均布孔板（Ⅴ）和均布導流筒（Ⅵ）的組合形成6種方案，并進行了循環(huán)煙罩內(nèi)流場仿真模擬，不同方案下煙氣出口最大流速和方差如圖14所示。

分析可得煙氣出口最大速度和速度方差呈現(xiàn)一致變化趨勢，隨著導流板、均布孔板和導流筒的增加，煙氣出口最大速度和速度方差下降明顯。采用方案6效果最明顯，與方案1相比分別降低了51.32%和86.95%。根據(jù)不同方案在煙氣出口最大速度和速度方差的差值進行分析，影響煙氣循環(huán)罩出口均勻性的重要性排序如下：均布導流筒（Ⅵ）＞薄壁均布孔板（Ⅴ）＞立式導流板（Ⅳ）＞固定弧形導流板（Ⅱ）＞活動導流板（Ⅲ）。另外，在實際生產(chǎn)中，煙氣循環(huán)風量可能在燒結(jié)生產(chǎn)不同時期偏離煙罩設計風量，造成實際出口流場出現(xiàn)偏析?？筛鶕?jù)偏析方向，調(diào)整活動導流板（Ⅲ）與水平面的夾角，控制主流煙氣回到煙罩中心區(qū)域，提高出口均勻性，避免煙氣在煙罩側(cè)部匯集造成外溢。

中南大學范曉慧等[5]根據(jù)燒結(jié)煙氣組成特征，將燒結(jié)劃分為五個區(qū)域，建立燒結(jié)煙氣循環(huán)污染物減排和廢熱回收精細化模式，在合適的循環(huán)氣體成分和溫度條件下，煙氣循環(huán)率最高可達到41.9%，NOx和SO2排放分別減少28.6%和8.15%。精細化的高循環(huán)率煙氣循環(huán)技術要求循環(huán)煙氣罩出口流場更均勻，料面得以吸收更多的循環(huán)熱風，但國內(nèi)普遍采用的常規(guī)煙氣循環(huán)罩難以滿足要求。另外，燒結(jié)新技術也由單向技術應用向多項技術耦合應用發(fā)展，如燒結(jié)料面氫系燃氣噴吹與熱風燒結(jié)耦合，富氧燒結(jié)與熱風燒結(jié)耦合等，都對煙氣循環(huán)罩出口流場均勻性提出了更高的要求。因此，基于流場仿真開發(fā)煙氣循環(huán)均氣罩具有廣闊應用前景。

5 結(jié) 論

（1）在無任何導流裝置的側(cè)進風弧型罩內(nèi)，煙氣流場分布非常不均，從進氣中心截面右側(cè)窄條區(qū)域大量排出，并在左半?yún)^(qū)形成回流。煙罩內(nèi)最高流速9.87 m/s，煙氣出口最高流速6.2152 m/s，速度方差1.8333。

（2）采用固定弧形導流板（Ⅱ）、活動導流板（Ⅲ）、立式導流板（Ⅳ）和均布導流筒（Ⅵ）組合，煙氣出口中部區(qū)域形成均勻煙氣群峰，煙罩側(cè)壁區(qū)域煙氣流速較低，煙氣整體無偏析，流場分布最理想。煙氣出口最高流速3.0256 m/s，速度方差0.2392，與無導流板相比分別降低了51.32%和86.95%。

（3）不同方案下煙氣出口最大速度和速度方差的變化趨勢相同，根據(jù)差值大小進行分析，影響煙氣循環(huán)罩出口均勻性的重要性排序如下：均布導流筒（Ⅵ）＞薄壁均布孔板（Ⅴ）＞立式導流板（Ⅳ）＞固定弧形導流板（Ⅱ）＞活動導流板（Ⅲ）。

（4）開發(fā)基于流場仿真的煙氣循環(huán)均氣罩，在精細化的高循環(huán)率燒結(jié)煙氣循環(huán)、燒結(jié)氫系燃氣料面噴吹與熱風燒結(jié)耦合和富氧燒結(jié)與熱風燒結(jié)耦合等對均勻性要求比較高技術上具有廣闊應用前景。