燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)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)礦余熱罐回收工藝是一種新型的燒結(jié)礦顯熱回收工藝，與傳統(tǒng)環(huán)冷機或帶冷機相比，其提高了燒結(jié)礦顯熱回收率，降低了廢氣和粉塵排放量，對降低燒結(jié)能耗、促進企業(yè)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)具有重要意義。余熱罐作為其中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)會影響燒結(jié)礦和冷卻空氣在罐內(nèi)的氣固換熱，從而影響出口冷空氣所攜帶余熱的“量”和“質(zhì)”、從罐體排出的燒結(jié)礦溫度以及后續(xù)的發(fā)電量[1-2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在燒結(jié)礦余熱罐回收工藝與操作參數(shù)優(yōu)化、氣固換熱模型等方面做了許多的研究，而針對余熱罐結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方面的研究卻相對較少。本文主要對燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)方面的研究情況進行具體分析，以期為燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供一定的借鑒。

1 干熄焦爐結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

燒結(jié)礦余熱罐屬于豎爐。而豎爐是燃料爐中的一類，爐身直立，大部分空間填滿塊狀料，爐氣經(jīng)料層孔隙自下向上流動。與燒結(jié)礦余熱罐相關(guān)的豎爐主要是干熄焦爐，干熄焦爐是典型的氣固換熱式豎爐。

干熄焦工藝是瑞士舒爾查公司在1917 年率先研發(fā)的，并建成了世界上第一套干熄焦設(shè)備，雖然裝置不夠成熟，但引起了人們濃厚的興趣。1920 年—1940年期間主要建成的干熄焦結(jié)構(gòu)形式主要包括多室式、地上槽式、罐室式、地下槽式，規(guī)模一般較小，同時還存在著投資高、實用價值低、工藝較復(fù)雜、蒸汽供應(yīng)不穩(wěn)定等問題。1937 年前蘇聯(lián)焦化設(shè)計院提出利用氮氣作為惰性氣體進入干熄焦爐與焦炭進行熱交換，通過預(yù)存室實現(xiàn)干熄焦連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，以此保證蒸汽連續(xù)供應(yīng)。進入20 世紀70 年代后，干熄焦技術(shù)進入快速發(fā)展時期[3]。

1985 年，我國開始應(yīng)用干熄焦技術(shù)。隨著該技術(shù)的推廣，我國干熄焦技術(shù)在干熄槽高徑比、改進斜道孔、加設(shè)給水預(yù)熱器等方面做了大量創(chuàng)新，促進干熄焦設(shè)備向高效化、大型化方向發(fā)展。

燒結(jié)礦余熱罐和干熄焦爐裝置結(jié)構(gòu)一樣，都是典型的氣固換熱裝置。為了使余熱罐回收工藝更高效地應(yīng)用于工程實踐中，合理的余熱罐結(jié)構(gòu)形式尤為重要，現(xiàn)在借鑒干熄焦爐技術(shù)的基礎(chǔ)上對余熱罐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

但燒結(jié)余熱罐又有別于干熄焦爐，主要表現(xiàn)在兩者物料性能參數(shù)不同：燒結(jié)余熱罐的物料為燒結(jié)礦，干熄焦爐的物料為焦炭；燒結(jié)礦粒度在10～40 mm 內(nèi)居多，焦炭粒度以40～60 mm 占主導(dǎo)；燒結(jié)礦入口溫度在650 ℃左右，而焦炭在1 000 ℃左右；燒結(jié)礦的堆密度為1 700 kg/m3，焦炭的堆密度為563 kg/m3。因此，燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)形式在借鑒干熄焦技術(shù)的基礎(chǔ)上，需根據(jù)燒結(jié)礦本身的特性進行確定。

2 燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

2.1 燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)形狀的分析

目前國內(nèi)有關(guān)燒結(jié)礦余熱罐回收裝置結(jié)構(gòu)形狀的研究文獻相對較少，也未進行過深入的研究。畢傳光等[4]借助數(shù)值模擬的方法，優(yōu)化了梅鋼燒結(jié)礦余熱罐回收裝置的結(jié)構(gòu)形狀，得出矩形燒結(jié)礦余熱罐為較佳的余熱罐結(jié)構(gòu)形狀；并采用增加進/排料口個數(shù)的形式，即將進/排料口由1 個變成6 個，來減少燒結(jié)礦顆粒滾落造成的物料偏析問題。然而，不同結(jié)構(gòu)形狀的余熱罐在余熱回收過程中的優(yōu)劣仍需借助許多實驗、模擬等來進行分析判斷，以確定最佳的余熱罐結(jié)構(gòu)形狀。

2.2 燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析

燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)設(shè)計與回收利用工藝分析是借鑒干熄焦工藝中干熄焦爐的結(jié)構(gòu)和原理進行的，通過冷空氣回收熱燒結(jié)礦顯熱[5]。燒結(jié)礦余熱罐一般由預(yù)存段、斜道段、冷卻段和出料段四個區(qū)域組成，如下頁圖1 所示。

圖1 燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)

作為燒結(jié)礦余熱罐熱量交換關(guān)鍵場所的冷卻段，其設(shè)計的好壞決定著余熱罐的熱回收效率。陳士柏等[6]借助Fluent 和Comsol 數(shù)值模擬軟件，建立燒結(jié)礦余熱罐數(shù)學(xué)模型，模擬并分析了不同的氣固比及不同的冷卻段高度對百公斤級罐內(nèi)氣- 固流動與熱交換以及料層阻力特性的影響；得出增加余熱罐冷卻段高度，會使冷卻空氣溫度升高，燒結(jié)礦溫度降低，空氣出口攜帶的火用值先增后趨平緩的結(jié)論，該模擬結(jié)果與生產(chǎn)實際相吻合；在保持余熱罐冷卻高度不變的情況下，余熱罐直徑變小，燒結(jié)礦出口溫度漸小，冷卻風(fēng)出口溫度漸大。由此可見，燒結(jié)礦余熱罐冷卻段高度和直徑的選定對于燒結(jié)余熱回收有著重要的影響，因此，仍需大量的實驗、數(shù)值模擬來進一步確定其最佳值[7]。

布料裝置可將上料系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)料罐運來的熱燒結(jié)礦按數(shù)量裝入余熱罐體并合理分布。布料裝置需滿足密封好、布料均勻、設(shè)備簡單、便于維修、壽命長、運行平穩(wěn)可靠等要求，其中最關(guān)鍵的要求是布料均勻。為此，侯朝軍等[8]采用六口（雙排三料口）布料形式來保證布料的均勻性，以克服存在的單口布料不均問題；排料形式亦如此，為六口排料。通過六口均勻布料與六口均勻排料，實現(xiàn)了燒結(jié)礦在罐內(nèi)的均勻分布，從而提高燒結(jié)礦冷卻的均勻性，減少其局部的偏析。燒結(jié)礦余熱罐底部設(shè)計成矩形結(jié)構(gòu)，底部布置的供氣裝置采用環(huán)形供風(fēng)、錐斗出風(fēng)的形式，并在環(huán)形風(fēng)道間均勻布置支撐件。罐體周邊的冷風(fēng)經(jīng)過十字風(fēng)道向六個下料口供風(fēng)，每個料口的中心風(fēng)帽向料口四周錐斗供風(fēng)，最終形成由罐體四周向料口中心、隨后由料口中心向料口四周的供風(fēng)形式，從而實現(xiàn)燒結(jié)礦的均勻冷卻。

孫俊杰等[9]對因一次偏析造成不同喉管處的顆粒度差異問題，確定在緩沖倉加入分料板設(shè)計，并采用離散單元法對其進行了分析。研究表明，增加喉管處大顆粒燒結(jié)礦量，有利于中心配風(fēng)占比的提高。此外，為改善二次偏析的問題，還對罐底的直通喉管進行了探索及優(yōu)化，將1 個喉管分割成4 個分流管，從而使整個平面內(nèi)小顆粒燒結(jié)礦分布更均勻。

2.3 燒結(jié)礦余熱罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

張將等[10]采用片體建模、2D 網(wǎng)格單元的有限元分析方法，對中信重工機械股份有限公司燒結(jié)礦余熱罐的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計研究。通過編輯已分組的片體單元厚度，并進行多方案計算，模擬出對應(yīng)的余熱罐變形、Mises 應(yīng)力分布，在有效提高計算效率的同時，也顯著縮短了結(jié)構(gòu)設(shè)計周期，該分析計算法對大型爐體結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計具有很好的借鑒意義。

3 結(jié)論

1）我國鋼鐵企業(yè)對余熱回收利用越來越重視，燒結(jié)礦余熱罐回收技術(shù)是非常具有前景的技術(shù)，隨之余熱罐的結(jié)構(gòu)形式對余熱回收效率的影響也引起了廣泛的重視。

2）不同結(jié)構(gòu)形狀的燒結(jié)礦余熱罐在余熱回收過程中的優(yōu)劣仍需進一步分析，以確定最佳的余熱罐結(jié)構(gòu)形狀。

3）余熱罐冷卻段的高度和直徑對余熱回收起著關(guān)鍵作用，可進一步確定最佳冷卻段高度及直徑。

4）六口進/排料的矩形燒結(jié)礦余熱罐為目前較佳的余熱罐結(jié)構(gòu)形式。但對于更好的余熱罐結(jié)構(gòu)形式，則仍需借助大量的實驗以及數(shù)值模擬來開展更深入地研究。