回收礦熱爐爐氣作為回轉(zhuǎn)窯輔助燃料的節(jié)能系統(tǒng)

摘 """""要：為了解決目前回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐工藝流程中存在CO₂、NO_x排放量高、煤耗大等問題，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、多反應(yīng)耦合條件，結(jié)合回收礦熱爐爐氣CO等可燃成分的凈化裝置，采用SolidWorks軟件建立回轉(zhuǎn)窯三維物理模型，利用ICEM軟件對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立了回轉(zhuǎn)窯爐氣-煤粉氣固兩相燃料混合燃燒模型，使用FLUENT軟件開展回轉(zhuǎn)窯中廢氣再燃技術(shù)的數(shù)值研究，探究廢氣再燃技術(shù)對回轉(zhuǎn)窯煤耗量和煙氣成分的影響。結(jié)果表明：焙燒區(qū)域在溫度滿足實(shí)際生產(chǎn)的前提下，此節(jié)能系統(tǒng)可將回轉(zhuǎn)窯的NO_x排放量由0.100 9%（體積分?jǐn)?shù)）降低至0.057 4%（體積分?jǐn)?shù)）；回收礦熱爐爐氣中余熱能量約為78.411 GJ·h^-1；回轉(zhuǎn)窯的煙煤損耗量可減少3.7 t·h^-1，約占總煤耗量的40.6%；每年減少的CO₂排放量和灰渣等固體廢棄污染物排放量分別為69 796、1 750 t。

關(guān) "鍵 "詞：RKEF；煙氣凈化；余熱余能回收；廢氣再燃

中圖分類號(hào)：TF551"""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""文章編號(hào)：1004-0935（2024）10-1633-04

回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐工藝（RKEF）因具有鎳鐵品位易控、生產(chǎn)率高、工藝技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于鎳鐵冶煉。但RKEF工藝存在的高能耗和高排放問題制約其自身的發(fā)展，例如礦熱爐進(jìn)行冶煉時(shí)釋放的爐氣中含有CO、CH₄、H₂等可燃成分，其中73.8%為CO，且出口爐氣溫度可以達(dá)到400"℃，含有大量熱能。因此，回收礦熱爐爐氣能量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。挪威的礦熱爐利用朗肯循環(huán)將煙氣用于余熱發(fā)電^[1]。美國的鐵合金公司用高溫?zé)煔饧訜嵘a(chǎn)120"℃蒸汽制冷制熱^[2]。20世紀(jì)80年代中國開始大規(guī)模的回收余熱資源，使用高溫?zé)煔饧訜崴浔谏a(chǎn)的高溫蒸汽，用于生活熱水和供暖，回收熱效率較低^[3]；通過改進(jìn)爐窯煙氣排放方式和增加產(chǎn)量，提高煙氣溫度和流量，回收方式變?yōu)榱藷煔庥酂岚l(fā)電^[4]。目前冶金行業(yè)回收礦熱爐煙氣相對而言難度較大，傳統(tǒng)回收工藝因其高成本、安全隱患大、收益甚微等弊端難以實(shí)施。

此外，研究者還因工藝余熱余能利用率低的問題而困擾。SAGASTUME等^[5]提出利用廢棄物作為輔助燃料方案，開展了燃料混合燃燒的研究。TAN等^[6]采用不同的燃燒模型研究了煤與油泥混合燃燒的燃燒特性。B?CKSTR?M等^[7]研究了煤與生物質(zhì)等多種燃料的混合燃燒，并評估了燃料對火焰溫度和輻射傳熱的影響。GU等^[8]通過煤和天然氣混合燃燒的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)天然氣的快速燃燒可以促進(jìn)煤的燃燒，并利用天然氣擴(kuò)大高溫區(qū)和焙燒區(qū)的范圍。為了研究氣-固燃料混合燃燒對火焰的影響，謝俊林等深入研究了煤與天然氣混合燃燒對火焰特性和溫度的影響^[9-10]。

因此，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、多反應(yīng)耦合多相流條件下，結(jié)合回收礦熱爐爐氣CO等可燃成分的凈化系統(tǒng)，建立了回轉(zhuǎn)窯爐氣-煤粉氣固兩相燃料混合燃燒模型，探究廢氣再燃技術(shù)對回轉(zhuǎn)窯煙氣成分的影響。優(yōu)化了RKEF工藝結(jié)構(gòu)，為資源的優(yōu)化配置提供理論依據(jù)，符合“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略布局，將環(huán)保與生產(chǎn)完美融合。

1 "節(jié)能系統(tǒng)的建立

1.1 "RKEF工藝流程部分

RKEF工藝流程圖如圖1所示。RKEF工藝主要由3個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成：干燥窯系統(tǒng)干燥濕礦、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)焙燒預(yù)還原、礦熱爐系統(tǒng)還原熔煉，其中干燥窯和回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)所需的煤粉是由磨煤機(jī)直接提供。紅土礦先被破碎篩分成小塊礦料進(jìn)入干燥窯，利用回轉(zhuǎn)窯的煙氣對濕礦進(jìn)行干燥。干燥后的礦料在配料站與還原煤和石灰石進(jìn)行充分摻混后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯。在回轉(zhuǎn)窯工序中徹底蒸發(fā)礦料中游離水、結(jié)晶水和結(jié)合水，同時(shí)燃料有選擇性地預(yù)還原礦料中金屬氧化物。焙燒砂通過運(yùn)輸系統(tǒng)輸送到礦熱爐，經(jīng)還原反應(yīng)和高溫熔煉后產(chǎn)出粗制鎳鐵和爐渣。由還原反應(yīng)產(chǎn)生的爐氣，經(jīng)過凈化工藝回收其中的可燃成分，通過管道輸送至回轉(zhuǎn)窯中與煤粉一起作為燃料燃燒。

1.2 "回轉(zhuǎn)窯幾何模型的建立

建立的回轉(zhuǎn)窯幾何模型由五通道燃燒器和回轉(zhuǎn)窯窯體兩部分組成。其長為110 m、寬為4.8 m，為了確保網(wǎng)格質(zhì)量特將回轉(zhuǎn)窯的長度簡化為60 m。煤粉、爐氣和助燃空氣由窯頭進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，回轉(zhuǎn)窯原理示意圖如圖2所示。采用SolidWorks軟件建立回轉(zhuǎn)窯三維物理模型，利用ICEM軟件對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將燒嘴設(shè)置為空氣、煤粉和爐氣入口簡化處理，以便生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格提高計(jì)算準(zhǔn)確性。結(jié)合FLUENT軟件開展回轉(zhuǎn)窯工藝中氣固兩相燃料混合燃燒的數(shù)值研究。模型不考慮窯內(nèi)的物料分布情況以及回轉(zhuǎn)窯的傾斜情況。

1.3 "回轉(zhuǎn)窯數(shù)學(xué)模型的建立

采用組分輸運(yùn)模型和有限速率/渦耗散模型模擬煤粉的燃燒過程。煤粉燃燒過程可分為2個(gè)階段：第一階段是煤粉進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)受熱析出揮發(fā)分，揮發(fā)分先行燃燒，反應(yīng)方程式如下：

揮發(fā)分+1.664 1O₂→1.242 7CO+2.544 1H₂O+0.048 5N₂+0.019 5SO_{2 """"""} （1）

第二階段是煤粉剩余焦炭的燃燒，反應(yīng)方程式如下：

（2）

（3）

隨后，爐氣中可燃成分開始發(fā)生反應(yīng)，方程式如下：

（4）

（5）

（6）

1.4 "回轉(zhuǎn)窯五通道燃燒器設(shè)計(jì)

五通道燃燒器網(wǎng)格示意圖如圖3所示。由圖3可以看出，通道順序自內(nèi)向外依次為中心風(fēng)通道、旋流風(fēng)通道、煤粉風(fēng)通道、爐氣通道以及軸流風(fēng)通道。研究中燃燒器和回轉(zhuǎn)窯均采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。由于燃燒器附近區(qū)域流場復(fù)雜，所以對該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

2 "結(jié)果分析

2.1 "經(jīng)濟(jì)效益分析

不同工況焦炭燃燒速率曲線圖如圖4所示。由圖4可以看出，由于氣體燃料具有易擴(kuò)散、燃燒迅速、易與空氣混合的特點(diǎn)，CO等廢氣燃料進(jìn)入窯體后被迅速點(diǎn)燃，為煤粉燃燒提供所需熱量，提高了其燃燒速率。

該生產(chǎn)工藝的產(chǎn)能為12 t·h^-1，礦熱爐爐氣的排放量約為7.34 t·h^-1，爐氣中73.8%為CO、1.6%為H₂、4.5%為CH₄。將爐氣余能回收利用，回轉(zhuǎn)窯煙煤損耗量可減少3.625 t·h^-1。將爐氣的余熱回收利用，爐氣中可燃?xì)怏w的余熱量約為1.765 GJ·h^-1，相當(dāng)于減少煙煤損耗量0.075 3 t·h^-1。

綜上所述，若設(shè)備年工作時(shí)間為300×24 h，采用廢氣再燃技術(shù)可回收礦熱爐爐氣中的余熱能約折合26 640 t煙煤。按煙煤價(jià)格每噸800元計(jì)，每年可節(jié)約費(fèi)用2 131萬元。

2.2 "環(huán)境效益分析

1 t煙煤完全燃燒時(shí)將產(chǎn)生2.62 t CO₂，相當(dāng)于每年減少排入大氣的CO₂排放量為69 796 t。回轉(zhuǎn)窯軸向縱切面NO_x體積分?jǐn)?shù)曲線圖如圖5所示，回轉(zhuǎn)窯軸向縱切面NO_x分布云圖如圖6所示。由圖5、圖6可以看出，采用廢氣再燃技術(shù)，回轉(zhuǎn)窯出口處氮氧化物的排放量由0.100"9%（體積分?jǐn)?shù)）降低至0.057"4%（體積分?jǐn)?shù)）。選取煙煤的灰分為6.57%，相當(dāng)于每年減少1 750 t灰渣等固體污染物排放量，環(huán)境效益顯著。

3""結(jié) 論

采用廢氣再燃技術(shù)，礦熱爐爐氣中余熱能的回收量約為78.411 GJ·h^-1，回轉(zhuǎn)窯的煙煤損耗量可減少3.7 t·h^-1，約占煙煤消耗量的40.6%。若設(shè)備年工作時(shí)間為300×24 h，該節(jié)能系統(tǒng)回收的余熱能可折合煙煤26 640 t。按煙煤價(jià)格每噸800元計(jì)，可節(jié)約費(fèi)用2 131萬元。每年減少排入大氣的CO₂排放量約為69 796 t。回轉(zhuǎn)窯出口處NO_x的排放量由0.100"9%（體積分?jǐn)?shù)）降低至0.057 4%（體積分?jǐn)?shù)）。每年灰渣等固體廢棄污染物排放量約減少1 750 t。

參考文獻(xiàn)：

[1] SANTOS M D. Meeting the challenge of sustainability through technology development and integration in ferroalloy submerged Arc furnace plant design[C]. The twelfth international ferroalloy congress sustainable future， 2010.

[2] CRANE D T， JACKSON G S. Optimization of cross flow heat exchangers for thermoelectric waste heat recovery[J]. Energy Conversion and Management， 2004， 45（9-10）： 1565-1582.

[3] AGYEMAN J. Sustainable communities and the challenge of environmental justice[M]. New York： New York University Press， 2005.

[4] 康峰. 礦熱爐余熱利用與探索[J]. 鐵合金，2001，32（4）：38-40.

[5] SAGASTUME GUTIéRREZ A， COGOLLOS MARTíNEZ J B， VANDECASTEELE C. Energy and exergy assessments of a lime shaft kiln[J]. Applied Thermal Engineering， 2013， 51（1-2）： 273-280.

[6] TAN P， MA L， FANG Q Y， et al. Application of different combustion models for simulating the co-combustion of sludge with coal in a 100 MW tangentially coal-fired utility boiler[J]. Energy amp; Fuels， 2016， 30（3）： 1685-1692.

[7] B?CKSTR?M D， JOHANSSON R， ANDERSSON K， et al. On the use of alternative fuels in rotary kiln burners—An experimental and modelling study of the effect on the radiative heat transfer conditions[J]. Fuel Processing Technology， 2015， 138： 210-220.

[8] GU H Y， HE P， MEI S X， et al. Simulation on different proportions of coal and natural gas co-combustion in a rotary lime kiln[J]. International Journal of Intelligent Systems and Applications， 2011， 3（4）： 17-24.

[9] HOU L Y， FU W B， ZHANG Y J. A theoretical analysis on combustion intensification for blended coal in rotary cement kiln[J]. Fuel， 2001， 80（11）： 1645-1650.

[10] MANJU M S， SAVITHRI S. Three dimensional CFD simulation of pneumatic coal injection in a direct reduction rotary kiln[J]. Fuel， 2012， 102： 54-64.

Energy Saving System for"Recycling Electric"Furnace Gas as

Auxiliary Fuel for Rotary Kilns

ZHAO Nan， LIU Peng， LIN Shuhang， JIAN Rui， DU Jinqi， LAN Xiaoyu， SUN Chao

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：""In order to solve the problems of high CO₂，NO_x"emissions and high coal consumption in the current rotary kiln-electric furnace process，"based on computational fluid dynamics （CFD）， multiple reaction coupling and combined with the purification device for recovering combustible components such as CO from electric furnace gas， SolidWorks software was used to establish a three-dimensional physical model of the rotary kiln， ICEM software was used to mesh the physical model， a co-combustion process of the gas-solid fuel in the rotary kiln was established， and FLUENT software was combined to carry out numerical research on waste gas reburning"technology in the rotary kiln， the impact of exhaust-gas reburning"technology on coal consumption and flue gas composition in rotary kilns was explored. The results showed that under the premise of meeting the actual production requirements in the roasting area， this energy-saving system could reduce the NO_x"emissions at the outlet of the rotary kiln from 0.100 9%（"volume fraction） to 0.057 4%（volume fraction）; the residual heat energy in the recovery of electric"furnace"gas was 78.411 GJ·h^-1; the coal consumption in the rotary kiln was reduced by 3.7 t·h^-1， accounting for approximately 40.6% of the total coal consumption; the annual reduction in CO₂"emissions and solid waste pollutants such as ash was 69 796 t and 1 750 t，respectively.

Key words：""RKEF;"Flue gas purification; Residual heat energy recycling; Exhaust-gas reburning