燒結余熱回收豎罐內(nèi)冷卻段高度與冷卻風流量解析研究

高建業(yè)，馮軍勝，劉靖宇，李明明，董輝

（1.東北大學國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，遼寧沈陽110819；2．沈陽東大三建工業(yè)爐制造有限公司，遼寧沈陽110102）

燒結余熱回收豎罐內(nèi)冷卻段高度與冷卻風流量解析研究

高建業(yè)1，馮軍勝1，劉靖宇1，李明明2，董輝1

（1.東北大學國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，遼寧沈陽110819；2．沈陽東大三建工業(yè)爐制造有限公司，遼寧沈陽110102）

燒結余熱罐式回收是燒結礦余熱高效回收利用的變革性工藝，其核心問題之一就是冷卻段高度與冷卻風流量的設置。本文建立了豎罐內(nèi)氣固傳熱的解析數(shù)學模型，研究了豎罐冷卻段高度和冷卻風流量對豎罐內(nèi)氣固傳熱過程的影響，在此基礎上，采用加權綜合評分法對出口冷風攜帶值和料層阻力損失兩項指標進行量化處理，得出了豎罐適宜的結構和操作參數(shù)組合。以國內(nèi)某360m2燒結機對應的余熱回收豎罐為例，豎罐適宜熱工參數(shù)為：冷卻段高度8m，冷卻風流量120 kg/s。

燒結礦；余熱回收；豎罐；氣固傳熱；熱工參數(shù)

燒結礦余熱豎罐式回收是針對傳統(tǒng)基于環(huán)冷機模式余熱回收不足提出的一種高效回收利用工藝技術[1-3]。該技術是否可行，主要基于兩個問題：罐體料層內(nèi)氣固傳熱問題和料層阻力特性及氣流分布問題。氣固傳熱特性，決定了燒結礦的冷卻效果，豎罐出口熱載體（即空氣）的品質(zhì)以及余熱回收率；氣流阻力特性，決定了氣體流經(jīng)料層的阻力大小以及罐式回收的經(jīng)濟性。關于這兩個問題，筆者連同研究小組成員，開展了初步的研究[4-7]。馮軍勝等[4]以自制氣固傳熱實驗裝置為操作平臺，研究了燒結礦顆粒填充床內(nèi)的氣固傳熱特性，并基于量綱分析并結合實驗測量數(shù)據(jù)擬合得出了能夠描述燒結礦顆粒床層內(nèi)氣固傳熱特性的實驗關聯(lián)式。楊益?zhèn)5]采用量綱分析構造反映料層阻力特性的經(jīng)驗關聯(lián)式，利用回歸分析確定經(jīng)驗關聯(lián)式的系數(shù)和指數(shù)。馮軍勝等[6]采用對Ergun型方程無量綱化的方法對氣體通過燒結礦床層的流態(tài)進行了研究，考察氣體表觀流速、燒結礦顆粒直徑和床層空隙率對床層內(nèi)氣體壓力降的影響，進而探討床層內(nèi)臨界顆粒雷諾數(shù)隨顆粒直徑的變化規(guī)律。董輝等[7]將對流換熱器和填充床中傳遞系數(shù)的概念引入到豎罐式余熱回收工藝中，推導出燒結移動床層傳遞系數(shù)公式；在自制的氣固傳熱實驗裝置上，測定不同工況下罐體料層內(nèi)氣固傳熱過程的相關數(shù)據(jù)，研究冷卻風量對燒結床層傳遞系數(shù)的影響。

本文在如上機理性問題的基礎上，開展技術問題的討論，即：在課題組已有研究基礎上，建立豎罐氣固傳熱解析數(shù)學模型，初步探討豎罐主要熱工參數(shù)中冷卻段高度與冷卻風流量設置，利用多指標正交試驗法進行參數(shù)優(yōu)化，采用加權綜合評分法對出口冷卻風攜帶值和料層阻力損失兩項指標進行量化處理，藉此確定罐體適宜的冷卻段高度與冷卻風流量參數(shù)，最后以國內(nèi)某大型燒結機為例進行例證分析；本研究結合數(shù)值計算研究為后續(xù)的技術工程實施奠定理論基礎。

1 豎罐內(nèi)氣固傳熱解析數(shù)學模型的建立

燒結熱礦從豎罐頂部進入，隨后不斷地向下運動，在豎罐冷卻段與上行的冷卻風進行熱量交換，被冷卻后經(jīng)排料裝置從罐體底部排出；冷卻風從豎罐的底部鼓入，經(jīng)布風裝置均勻布風后向上運行，在豎罐冷卻段換熱后，帶走燒結礦攜帶的大量顯熱，然后進入環(huán)形風道，經(jīng)除塵后進入余熱鍋爐系統(tǒng)，豎罐內(nèi)氣固傳熱過程如圖1所示。

圖1 罐體內(nèi)氣固熱交換示意圖

豎罐內(nèi)氣固對流換熱的基本公式為傳熱方程式及熱平衡方程[8]：

式中：Q1—燒結礦和氣體之間換熱量，W；h—氣固間綜合換熱系數(shù)，W/(m2·K)；A—燒結礦層顆?？倱Q熱面積，m2；Δtm—氣固間對數(shù)平均溫差，K;dp－未篩分顆粒當量直徑，m；ε－床層空隙率；λ—氣體熱導率，W/（m·K）；Q2—燒結礦和氣體之間換熱量，W；cs、cg—燒結礦和冷卻風比熱，J/（kg·K）；qs、qg—燒結礦和冷卻風質(zhì)量流量，kg/s；ts，in、tg，in—燒結礦和冷卻風進口溫度，K；ts，out、tg，out—燒結礦和冷卻風出口溫度，K。

2 豎罐式回收工藝兩個關鍵問題的評價指標

評價燒結余熱回收很重要的指標為出口風溫和流量，可以用出口冷風所攜帶的值來綜合考慮。，即可用能，是指能量在理論上能夠可逆地轉換為功的最大能量。它作為一種評價能量價值的參數(shù)，從“量”和“質(zhì)”兩個方面規(guī)定了能量的“價值”。式中：Eg，out為出口冷卻風的值，kW；hg，out為出口冷卻風比焓，kJ/kg；h0為環(huán)境溫度下空氣的比焓，kJ/ kg；T0為環(huán)境溫度，K；Tg，out為冷卻風出口溫度，K。

豎罐余熱回收是否可行不僅取決于燒結料層內(nèi)的氣固傳熱特性，還取決于燒結礦料層阻力特性，因此，料層阻力損失也是很重要的一項指標。豎罐內(nèi)料層壓降的實驗關聯(lián)式為[9]：

式中：ΔP為床層壓降，Pa；L為床層高度，m；D為罐體直徑，m；μ為氣體動力黏度，kg/（m·s）；ρg為氣流密度，kg/m3；u0為氣流通過料層的平均表觀流速，m/ s；Фs為形狀因子。

3 360m2燒結機對應豎罐適宜熱工參數(shù)的討論

豎罐作為燒結礦余熱罐式回收工藝的關鍵設備，其結構及操作參數(shù)決定著在冷卻罐體內(nèi)熱燒結礦和冷卻風的換熱效果，因此，在研究豎罐單一熱工參數(shù)對豎罐內(nèi)氣固傳熱過程的影響的基礎上，通過對冷卻風流量、豎罐冷卻段高度、冷卻段直徑和進口風溫4個熱工參數(shù)進行整合，綜合考慮出口冷卻風攜帶的值、料層阻力損失兩項指標，采用多指標正交試驗法[10]進行參數(shù)優(yōu)化，從而確定豎罐適宜熱工參數(shù)組合及冷卻工況。

實際生產(chǎn)設計時，需根據(jù)燒結機產(chǎn)量的不同，對應設置單罐或多罐用于回收燒結余熱，具體的設置要綜合技術先進性與經(jīng)濟可行性原則來確定。本文以國內(nèi)某360m2燒結機為例，并基于單罐假設前提下，討論豎罐冷卻段高度和冷卻風流量參數(shù)的設置。燒結機生產(chǎn)條件：390萬t/a；作業(yè)率：92%；返礦率：12%。對應單罐豎罐處理量為153 kg/s（即550.8 t/ h）。主要工藝參數(shù)如表1所示[11]。

表1 主要工藝參數(shù)和燒結礦參數(shù)

3.1 單一參數(shù)對豎罐內(nèi)氣固傳熱過程的影響

在課題組研究基礎上[11]，選取豎罐冷卻段的高度范圍為5～8m。圖2～圖5分別為在4種冷卻段高度下，即5m，6 m，7 m，8 m時出口冷卻風所攜帶的值、料層阻力損失、燒結礦出口溫度和冷卻風出口溫度隨冷卻風質(zhì)量流量的變化曲線。

如圖2所示，在4種不同冷卻段高度下，增加冷卻風流量，出口冷卻風攜帶的值先增大后減小，并均在130 kg/s附近達到峰值，從圖中曲線可看出，冷卻風表觀流速在120～160 kg/s范圍內(nèi)時值較大；冷卻風質(zhì)量流量一定的情況下，增加冷卻段高度，對應豎罐出口冷卻風攜帶的值隨之增大。

從圖3可以看出，在4種冷卻段高度下，料層阻力損失隨冷卻風質(zhì)量流量的變化情況一致，都逐漸增大，且增大的斜率也逐漸變大；冷卻風質(zhì)量流量一定的情況下，增加冷卻段高度，料層阻力損失會越大，會導致風機耗電增加，且對應冷卻段耐火材料的用量也會隨之增加，不利于降低投資成本，因此冷卻段高度不能無限增加。

圖3 不同冷卻段高度下料層阻力損失與冷卻風質(zhì)量流量的變化曲線

如圖4所示，冷卻段高度不變時，增大冷卻風流量，燒結礦出口溫度逐漸降低。當冷卻風流量大于150 kg/s時，燒結礦出口溫度減小趨勢平緩，接近于進口風溫。增大冷卻段高度，燒結礦出口溫度降低，能更好的保證出礦溫度達到工藝要求。因為冷卻段高度越高，燒結礦在豎罐內(nèi)停留的時間越長，換熱越充分，燒結礦出口溫度越低。

圖4 不同冷卻段高度下燒結礦出口溫度與冷卻風質(zhì)量流量的變化曲線

如圖5所示，冷卻段高度一定時，冷卻風出口溫度均隨著冷卻風流量的增大而減小，且減小的趨勢先變大隨后又變小；一定冷卻風流量條件下，冷卻段高度設置越高，冷卻風出口溫度越高，回收的熱風品質(zhì)也越高。通過計算可以得出，當冷卻段高度在5～8 m范圍內(nèi)時，冷卻風流量小于150 kg/s時可使冷卻風出口溫度達到500℃以上。

圖5 不同冷卻段高度下冷卻風出口溫度與冷卻風質(zhì)量流量的變化曲線圖

3.2 正交表的建立

通過研究不同冷卻段高度對豎罐內(nèi)氣固傳熱的影響可知，在綜合考慮出口冷卻風所攜帶的值、料層阻力損失隨冷卻風質(zhì)量流量變化情況下，若使出口冷風所攜帶的較大，料層阻力損失較小，冷卻風表觀流速要在120～150 kg/s的范圍內(nèi)。通過罐體的燒結礦處理量、冷卻段高度、燒結礦下移速度與冷卻段直徑的關系可以得出冷卻段直徑范圍為7～10 m。

由此可以建立正交試驗因子水平表，見表2。

表2 正交試驗因子水平表

根據(jù)豎罐內(nèi)氣固傳熱計算過程，可以求出16組試驗出口礦溫、出口風溫和試驗指標出口冷卻風攜帶的值和料層阻力損失，見表3。

3.3 指標量化處理

在試驗指標中，有正向指標和負向指標之分。正向指標即指標值越大越好，負向指標即指標值越小越好。對于第i個正向指標Yi，第t次試驗所得的指標值記為Yti（t=1、2、3、…、n），其中最小值記作Yi（min），最大值記為Yi（max），則極差為Ri=Yi（max）-Yi（min）。

表3 正交試驗結果

對于正向指標Yi，第t次試驗值Yti的極差化結果為Yti’：

對于負向指標Yj，第t次試驗值Ytj的極差化結果為Ytj’：

4 結論

（1）豎罐冷卻段高度設置越高，出口冷卻風風溫越高，攜帶的值也越大，同時燒結礦出口溫度越低，可以更好地保證出礦溫度達到工藝要求，但隨著冷卻段設置高度的增加，料層阻力損失明顯變大，風機耗電也隨之增加，因此冷卻段高度不能無限增加。增大冷卻風流量，燒結礦和冷卻風出口出口溫度均降低，冷卻風攜帶的值呈先增大后減小趨勢，料層阻力損失逐漸變大。

表4 正交試驗指標加權綜合值

（2）以國內(nèi)某360 m2燒結機為例，如果采用一個豎罐，則豎罐內(nèi)適宜的熱工參數(shù)為：冷卻風質(zhì)量流量為120 kg/s，冷卻段高度為8 m，氣固水當量比為0.99。

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[5]楊益?zhèn)ィ疅Y余熱回收豎罐內(nèi)床層阻力特性實驗研究[D]．沈陽：東北大學，2013．

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[10]王萬中．試驗的設計與分析[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[11]李明明．燒結礦余熱回收豎罐結構及熱工參數(shù)研究[D]．沈陽：東北大學，2014．

Analytical Research on Cooling Section Height and Cooling Air Flow of Vertical Tank for Sinter W aste Heat Recovery

GAO Jianye1,FENG Junsheng1,LIU Jingyu1,LIMingming2,DONG Hui1
（1.SEP Key Laboratory on Eco-Industry,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2.NEU-SANKEN,Shenyang 110102,China）

The vertical tank technology for sinter waste heat recovery is one of the transformative technologies for recycling sinter waste heat.One of the core problems is how to determine the structure and operating parameters of vertical tank for recycling waste heat.Firstly,the analytic mathematicalmodel of gassolid heat transfer in vertical tank was established,and then the parameters,such as the height of cooling section and mass flow of cooling air,which had effects on the gas-solid heat transfer process in vertical tank, were studied.Secondly,the two indexes including the exergy carried by the outlet cooling air and the resistance loss of sinter bed layer were quantitatively evaluated by using the method of weighted compositive score and the suitable structural and operating parameters of vertical tank were determined.Finally,the vertical tank assorted with 360m2sinteringmachine was taken as a research object and the suitable thermal parameters are that the cooling section heightof vertical tank is 8m and themass flow of cooling air is 120 kg/s.

sinter;waste heat recovery;vertical tank;gas solid heat transfer;thermal parameters

TF046.4

A

1001-6988（2016）05-0058-05

2016-07-24

國家自然科學基金資助項目（51274065）；國家科技支撐計劃課題（2015BAB18B02）

高建業(yè)（1993—），男，碩士研究生，研究方向為燒結余熱回收豎罐熱工過程研究.