燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)氣固傳熱分析★

果晶晶

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程系，河北 邢臺 054035）

燒結(jié)礦余熱罐回收技術(shù)是目前具有革命性的、高效回收燒結(jié)顯熱的余熱回收技術(shù)，經(jīng)歷了燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)流動與傳熱機(jī)理的研究→技術(shù)層面分析；從解析、數(shù)值計算→實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)→小試→中試。其關(guān)鍵問題之一是罐內(nèi)燒結(jié)礦料層氣固傳熱過程。余熱罐內(nèi)的氣固傳熱過程直接影響到燒結(jié)礦的冷卻效果和余熱罐出口熱風(fēng)所攜帶的火用值，最終影響到該系統(tǒng)的發(fā)電量。氣固傳熱越充分，余熱回收率越高。為此，本文主要對燒結(jié)礦余熱罐氣固傳熱的研究現(xiàn)狀和強(qiáng)化氣固傳熱技術(shù)途徑兩方面進(jìn)行分析，以期為強(qiáng)化燒結(jié)余熱回收余熱罐氣固傳熱指明方向，對燒結(jié)礦余熱罐的工程設(shè)計起到指導(dǎo)作用。

1 燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)氣固傳熱研究現(xiàn)狀

力杰等[1]借助Comsol 數(shù)值軟件建立了余熱罐內(nèi)的氣固傳熱數(shù)學(xué)模型，模擬出罐內(nèi)燒結(jié)礦料層內(nèi)的冷風(fēng)、燒結(jié)礦溫度分布情況，探索出余熱罐內(nèi)的氣固傳熱過程隨燒結(jié)礦的料層高度和氣料比的變化規(guī)律。

劉立鈞等[2]利用有限差分法研究燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)的氣固換熱過程，并主要分析了氣料比、冷風(fēng)入口溫度、冷卻風(fēng)量對余熱罐內(nèi)氣固傳熱的影響規(guī)律。

果晶晶等[3]應(yīng)用CFD 數(shù)值模擬軟件建立了二維燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)的氣固換熱模型，分析了冷風(fēng)入口溫度、冷卻風(fēng)量對罐內(nèi)氣固換熱的影響。

王萌等[4]通過實(shí)驗(yàn)測得余熱罐料層傳熱相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得余熱罐料層傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并研究冷卻風(fēng)量、燒結(jié)礦顆粒直徑、燒結(jié)礦料層高度與燒結(jié)礦料層傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。李磊等[5]結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善余熱罐料層傳熱系數(shù)公式。

馮軍勝等[6-7]搭建燒結(jié)礦余熱罐氣固傳熱實(shí)驗(yàn)臺，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出燒結(jié)礦料層氣固傳熱關(guān)聯(lián)式，并研究余熱罐內(nèi)氣固傳熱系數(shù)隨冷卻風(fēng)量、燒結(jié)礦顆粒直徑的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)冷卻風(fēng)量、燒結(jié)礦顆粒直徑對余熱罐內(nèi)氣固傳熱系數(shù)影響較大；罐內(nèi)燒結(jié)礦溫度較前兩者對氣固傳熱系數(shù)影響較小。

黃柱成等[8]以某燒結(jié)廠的熱風(fēng)與熱燒結(jié)礦為基礎(chǔ)，研究了余熱罐內(nèi)氣固對流換熱特性，發(fā)現(xiàn)冷卻風(fēng)量和冷風(fēng)入口溫度是影響氣固換熱的主要因素，并擬合出燒結(jié)礦料層氣固傳熱關(guān)聯(lián)式。

后續(xù)通過進(jìn)一步深入研究，馮軍勝等[9-10]引入火用傳遞系數(shù)，從而推出余熱罐內(nèi)料層的火用傳遞系數(shù)公式；并借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出燒結(jié)礦料層火用傳遞系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。

在以前燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)氣固傳熱研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，馮軍勝等[11-12]主要應(yīng)用多孔介質(zhì)理論和局部非熱力學(xué)平衡理論，對余熱罐內(nèi)的三維穩(wěn)態(tài)氣固傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。該模擬工作最大的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過自定義函數(shù)UDF 的方式，將相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如余熱罐內(nèi)冷風(fēng)流動的慣性阻力系數(shù)、粘性阻力系數(shù)、氣固物性參數(shù)、氣固換熱系數(shù)等導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬研究。最后分別分析了燒結(jié)礦入口溫度、燒結(jié)礦顆粒直徑、氣料比、冷風(fēng)入口溫度與余熱罐內(nèi)氣固傳熱之間的聯(lián)系。

張晟[13]等在模擬研究時運(yùn)用COMSOL 數(shù)值模擬軟件的自定義函數(shù)（UDF）功能，將余熱罐內(nèi)冷風(fēng)壓力損失關(guān)系式和燒結(jié)礦料層氣固換熱系數(shù)關(guān)系式嵌入所建立的三維余熱罐冷卻段的數(shù)學(xué)模型中，藉此模擬研究年產(chǎn)量260 萬t 燒結(jié)礦余熱罐冷卻段的氣固傳熱過程，如下頁圖1 所示[13]。

沈勛等[14]運(yùn)用協(xié)同理論研究了氣料比、燒結(jié)礦料層高度、燒結(jié)礦料層直徑等因素對于余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦冷卻過程場協(xié)同數(shù)的影響，并指出燒結(jié)礦余熱罐應(yīng)由“瘦高型”向“矮胖型”發(fā)展。氣料比和燒結(jié)礦料層高度對氣固換熱的主要影響因素，燒結(jié)礦料層直徑的影響相對較小。

以上研究結(jié)果表明：

1）燒結(jié)礦料層高度、氣料比、燒結(jié)礦顆粒直徑、冷卻風(fēng)量對料層內(nèi)氣固傳熱有重要影響：相同的條件下，若增加燒結(jié)礦料層高度，熱風(fēng)的出口溫度呈逐漸升高的趨勢，燒結(jié)礦出口溫度呈逐漸降低的趨勢，余熱罐出口熱風(fēng)所攜帶的火用值呈初始增大然后趨于平穩(wěn)的變化趨勢；隨著氣料比的增加，燒結(jié)礦出口溫度、熱風(fēng)的出口溫度都呈逐漸降低的趨勢，余熱罐出口熱風(fēng)所攜帶的火用值呈先增后減的變化趨勢；燒結(jié)礦顆粒直徑越小，氣固傳熱系數(shù)也就越大；隨著余熱罐內(nèi)冷卻風(fēng)量的增加，燒結(jié)礦出口溫度逐漸降低，氣固換熱系數(shù)也隨之增大[15]。

2）料層燒結(jié)礦溫度、冷風(fēng)入口溫度對余熱罐內(nèi)的氣固傳熱也會有影響：料層燒結(jié)礦溫度增加，余熱罐內(nèi)氣固傳熱會增大；燒結(jié)礦的氣固傳熱隨冷風(fēng)入口溫度的增加而降低，且燒結(jié)礦出口溫度會升高。

3）燒結(jié)礦料層直徑對余熱罐內(nèi)氣固換熱的影響相對較小。

目前燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)的氣固傳熱研究中，一般假設(shè)燒結(jié)礦顆粒為規(guī)則模型、完全彈性碰撞，以平均空隙率進(jìn)行計算，忽略了燒結(jié)礦料層的不均勻性[16]。然而空隙率分布對余熱罐內(nèi)的氣固傳熱規(guī)律有很大影響。研究中若考慮空隙率的分布情況，將會使料層中傳遞模型和化學(xué)反應(yīng)過程的模型更加精準(zhǔn)。

2 強(qiáng)化燒結(jié)礦余熱罐氣固傳熱的主要技術(shù)途徑

余熱罐內(nèi)氣固熱交換屬于以對流換熱為主的氣固傳熱過程。該氣固熱交換是否充分主要取決于氣固接觸和熱交換時間兩方面，其主要因素包括余熱罐冷卻段的高度、冷卻風(fēng)量、余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦料層空隙率等。因此強(qiáng)化燒結(jié)礦余熱罐氣固傳熱的途徑主要有：

1）燒結(jié)礦余熱罐冷卻段的高度選取要適當(dāng)增加。余熱罐冷卻段高度的選取，是要保證罐內(nèi)充足的氣固熱交換時間。余熱罐冷卻段高度與其直徑一般呈反比關(guān)系。當(dāng)余熱罐冷卻段直徑越大，冷風(fēng)的分布情況就會越不均勻，氣固接觸就越不充分，氣固傳熱效果就越差。當(dāng)增加余熱罐的冷卻段高度，冷風(fēng)流經(jīng)燒結(jié)礦料層的阻力損失增加，還會影響到熱風(fēng)出口的溫度和流量。故而，燒結(jié)礦余熱罐冷卻段的高度選取，要綜合考慮到余熱罐冷卻段的直徑、余熱罐出口熱風(fēng)品質(zhì)，以期既能實(shí)現(xiàn)冷風(fēng)流經(jīng)燒結(jié)礦料層的阻力適宜，又能實(shí)現(xiàn)冷風(fēng)在冷卻段均勻分布，還能獲得較高品質(zhì)的罐體出口熱風(fēng)[15，17-18]。

2）合理調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。冷卻風(fēng)量亦為保證罐內(nèi)充足的氣固熱交換時間。應(yīng)適當(dāng)減小冷卻風(fēng)量，但要辯證考慮。目前認(rèn)為較冷卻風(fēng)量為為55 萬～60 萬m3/h[15，17]。

3）增大余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦料層空隙率。燒結(jié)礦顆粒直徑是影響燒結(jié)礦料層空隙率最重要的因素之一。一般而言，余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦料層空隙率隨著燒結(jié)礦顆粒直徑的減小而變小。實(shí)際生產(chǎn)中，主要影響余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦料層空隙率是直徑在5 mm 以下的燒結(jié)礦粉礦含量。該部分的粉礦含量，可通過盡可能的降低燒結(jié)礦從熱破碎階段到余熱罐預(yù)存段之間一系列的高度落差和改進(jìn)熱破碎等手段，來保證余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦料層的空隙率[15]。

3 結(jié)論

1）燒結(jié)礦余熱罐回收技術(shù)是目前具有革命性的、高效回收燒結(jié)顯熱的余熱回收技術(shù)，余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦料層氣固傳熱過程是制約其潛力發(fā)揮的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

2）燒結(jié)礦料層高度、氣料比、燒結(jié)礦顆粒直徑、冷卻風(fēng)量對燒結(jié)礦余熱罐料層內(nèi)氣固傳熱有重要影響；料層燒結(jié)礦溫度、冷風(fēng)入口溫度對余熱罐內(nèi)的氣固傳熱也會產(chǎn)生一定影響。

3）在燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)氣固傳熱過程中，燒結(jié)礦料層空隙率的分布情況是有待進(jìn)一步研究的問題。

4）目前強(qiáng)化燒結(jié)礦余熱罐氣固傳熱的主要技術(shù)途徑有適當(dāng)增加燒結(jié)礦余熱罐冷卻段的高度，合理調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量，增大余熱罐內(nèi)燒結(jié)礦料層空隙率。