王建平, 田萬一

( 中冶長天國際工程有限責任公司, 湖南 長沙 410007)

摘 要: 通過對環冷機上燒結礦冷卻過程進行數值仿真分析, 以提高余熱綜合利用率為目標, 研究了冷卻過程運行參數對燒結礦余熱利用的影響, 并通過正交實驗找到了燒結礦余熱利用率最優的冷卻過程運行參數組合。

關鍵詞: 余熱利用; 數值仿真; 環冷機

1 前 言

鋼鐵工業是高能耗工業, 鋼鐵總能耗占全國工業總能耗的 15% 左右, 而鋼鐵生產過程中的能源有效率僅為 30%[1, 2]。當前我國燒結生產中余熱利用效率與國際先進水平相比約有20% 以上的差距。因此, 我國鋼鐵行業燒結系統節能的潛力非常大。由于燒結礦冷卻廢氣的回收利用相較于燒結煙氣的回收利用在技術和流程上較為方便和可行, 因此, 燒結礦冷卻過程中的余熱回收利用成為了當前降低燒結工序能耗、提高余熱利用率的熱點。本文通過建立燒結礦冷卻過程的傳熱計算模型, 對環冷機上冷卻過程進行數值模擬, 并與現場測試相結合, 對影響燒結礦冷卻過程以及余熱利用的因素進行了系統研究, 得到單一運行參數對環冷機余熱回收的影響趨勢, 并通過正交實驗的方法, 得到了環冷機余熱利用最優運行參數組合。

2 研究方法

采用數值模擬與現場實測相結合的方法進行, 通過現場實測的結果來驗證數學計算模型的合理性。

2、1 數值模擬方法

根據環冷機單個臺車的實際幾何尺寸建立物理模型, 其尺寸為實測值。本文對計算模型進行網格劃分時, 首先將環冷機臺車整體進行結構化網格劃分, 然后在環冷機臺車入口等重要位置局部加密, 這樣可以同時保證計算精度和計算量的有機結合。環冷機臺車網格系統如圖 1。

采用多孔介質模型來模擬燒結礦的冷卻過程, 以 Ergun 方程計算氣流所受到的料層阻力。由于 FLUENT 中的能量方程為熱力學平衡狀態下的單能量方程, 燒結礦在冷卻過程中與氣流存在著換熱, 溫度是不等的, 即燒結礦與氣體之間是局部非熱力學平衡狀態, 因此需要對能量方程進行一定的修正。本文采用局部非熱平衡雙能量方程模型[ 3, 4], 即分別對燒結礦和冷卻空氣建立能量方程[ 5]如下:

以上兩式中, hv 為燒結礦與冷卻空氣之間的傳熱系數。其余參數的選取通過測試及在測試基礎上的計算得到, 分別是: Qs= 1 600 kg/m3, <= 014, hv= 01199 w/ ( m3#K) , cs= 920 J/( kg# e ) 。

根據燒結礦的冷卻過程, 研究對象的邊界條件為: 環冷機臺車冷卻空氣入口邊界、環冷機臺車壁面、環冷機臺車頂部出口。對于環冷機臺車冷卻空氣入口邊界, 由于單位時間進入環冷機臺車的冷卻空氣的速度是固定的, 所以采用速度入口邊界條件, 數值以測試值為準。環冷機臺車壁面采用定熱流壁面。對于環冷機臺車頂部出口, 采用壓力出口邊界條件。

2、2 現場測試方法

結合現場生產條件, 利用熱電偶測量環冷機余熱利用區出口煙氣溫度, 通過對測量位置選取不同的測點, 并對不同的測點進行多次測量, 取其平均值。

3 各因素對余熱利用的影響

在前述建立的物理數學模型的基礎上, 利用流體動力學計算軟件 FLUENT 對燒結礦冷卻過程進行數值模擬計算, 在保持其他參數不變的條件下, 考察單一因素對環冷機余熱利用的影響。以下分別對影響環冷機余熱回收利用量的五個主要因素進行仿真計算: 余熱利用區內環冷機臺車入口風速、燒結礦料層高度、燒結礦粒徑、孔隙率、入口冷卻空氣溫度。

3、1 環冷機臺車入口風速對余熱利用的影響

不同環冷機臺車入口風速條件下, 環冷機出口煙氣平均溫度隨時間變化曲線如圖2 所示。

由圖 2 可知, 隨入口風速的增加, 出口煙氣平均溫度逐漸降低。說明入口風速越大, 單位時間內氣體帶走的熱量越多, 有效余熱利用量增加。

3、2 燒結礦料層高度

不同燒結礦料層高度下, 環冷機出口煙氣平均溫度隨時間的變化曲線如圖 3 所示。

由圖 3 可知, 環冷機出口煙氣的平均溫度隨著燒結礦層高度的增加而升高。由此可知,環冷機出口煙氣的平均溫度和有效余熱利用量隨著燒結礦層高度的增加而增大。因此, 在考慮鼓風機動力消耗允許的情況下, 應增加料層高度, 以提高余熱回收率。

3、3 燒結礦粒徑

在燒結礦粒徑不同的條件下, 環冷機出口煙氣平均溫度隨時間的變化曲線如圖 4。

由圖 4 可知, 燒結礦粒徑的增大將會導致環冷機臺車出口煙氣的平均溫度降低。由此可知, 環冷機出口煙氣平均溫度和有效余熱利用量隨著燒結礦粒徑的增大而減小。

3、4 孔隙率

不同孔隙率的情況下, 環冷機出口煙氣平均溫度隨時間變化曲線如圖 5。

由圖 5 可知, 在冷卻過程初期階段(200 s 之前), 隨著孔隙率的增加, 出口煙氣的平均溫度增高; 在 200 s 之后, 則趨勢相反。

3、5 入口冷卻空氣溫度

在入口冷卻空氣溫度不同的條件下, 環冷機出口煙氣平均溫度隨時間的變化曲線如圖 6。

由圖 6 可知, 入口冷卻空氣溫度升高, 使得出口煙氣的平均溫度升高。說明隨著入口冷卻空氣溫度的增加, 出口煙氣平均溫度和有效余熱利用量也隨之增加。

4 數值仿真結果的驗證

在常規工況下, 利用 origin 軟件對數值模擬計算所得到的結果進行曲線擬合, 圖 7 為環冷機出口煙氣平均溫度隨燒結礦冷卻時間的變化曲線。如圖所示, 擬合曲線與實測曲線能夠理想重合。由此說明, 在工程實際中, 可以采用擬合曲線的數學公式對不同冷卻時間的出口煙氣溫度進行預測。

5 正交優化仿真實驗

利用正交實驗的方法, 對影響環冷機上燒結礦余熱利用的七個主要運行參數進行優化分析。七個運行參數分別是: 環冷機臺車上下層物料高度、上中下層的燒結礦粒徑、環冷機臺車入口風速、冷卻空氣入口平均溫度。七個因素之間相互獨立, 本實驗采用標準正交表 L18( 37) 。優化指標為燒結礦每小時的余熱利用量;根據燒結礦進入環冷機的實際溫度, 將燒結礦的初始溫度設定為 1 023115 K( 750 e ) 。表 1列出了正交實驗各工況仿真計算結果。

通過正交實驗結果可得到, 七個不同運行參數按其對燒結礦余熱利用的影響, 從強到弱的排序依次為: 環冷機臺車入口風速、環冷機臺車上層燒結礦粒徑、環冷機臺車中層燒結礦粒徑、環冷機臺車下層燒結礦粒徑、冷卻空氣入口平均溫度、環冷機臺車下層物料高度、環冷機臺車上層物料高度。

本實驗結果表明, 實驗中的七個不同參數的最優組合為: 環冷機臺車下層物料高度為 014m, 環冷機臺車下層物料粒徑大小 01035 m; 環冷機臺車中層物料高度為 015 m, 環冷機臺車中層物料粒徑大小 01025 m; 環冷機臺車上層物料高度為 015 m, 環冷機臺車上層物料粒徑大小0103 m; 環冷機臺車入口風速為 7165 m/ s; 冷卻空氣入口平均溫度為 404 K。在此最優參數組合的工況下, 模擬仿真計算得到燒結礦余熱利用量為 176 783 265 kJ/ h, 與正常工況條件下余熱回收量相比, 提高了 2516%, 環冷機出口煙氣平均溫度為 660186 K, 比正常工況條件下環冷機出口煙氣平均溫度提高了 49185 K。

6 結 論

1) 利用 FLU ENT 軟件作為計算平臺, 采用局部非熱力學平衡的雙能量方程模型, 建立了燒結礦冷卻仿真模型。

2) 利用數學物理模型進行模擬仿真, 在保持其它因素不變的情況下, 研究單一因素對環冷機出口煙氣溫度和環冷機余熱利用量的影響。

3) 采用 origin 軟件將利用 FLU ENT 軟件得到的數值仿真計算結果和在現場實測數據分別進行曲線擬合, 得到了環冷機出口煙氣平均溫度隨冷卻時間變化的曲線。經過對比, 兩條曲線重合理想, 所以在工程實際中可以采用擬合曲線的數學公式對不同冷卻時間的環冷機出口煙氣溫度進行預測。

4) 利用正交試驗方法, 對影響燒結礦冷卻過程的七個運行參數進行正交試驗分析, 找出了燒結礦余熱利用率最大的參數組合, 從而達到提高燒結礦余熱利用率的目標。