摘要建立了燒結(jié)礦冷卻過程的多孔介質(zhì)模型，探討了燒結(jié)礦熱物性參數(shù)分別采用經(jīng)驗(yàn)值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)數(shù)值模擬的影響，分析了不同的燒結(jié)礦粒徑和不同入口風(fēng)溫工況下的出口熱廢氣對(duì)余熱發(fā)電量的影響。結(jié)果表明:使用熱物性參數(shù)實(shí)驗(yàn)值對(duì)料層溫度的模擬結(jié)果與熱物性參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值模擬結(jié)果差距較大，實(shí)驗(yàn)值模擬結(jié)果更接近實(shí)際運(yùn)行工況;在余熱發(fā)電方面，燒結(jié)礦粒徑越小、冷卻風(fēng)溫越高，噸礦余熱發(fā)電量越大。燒結(jié)礦粒徑為50mm時(shí)比粒徑為60mm時(shí)噸礦發(fā)電量提高了8.66%;入口風(fēng)溫為583K時(shí)比入口風(fēng)溫為553K時(shí)噸礦發(fā)電量提高了7.81%。

　　關(guān)鍵詞燒結(jié)礦環(huán)冷機(jī)多孔介質(zhì)數(shù)值模擬余熱發(fā)電

　　鋼鐵工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位。我國(guó)作為鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，其能耗占全國(guó)能源消耗總量的25%以上[1]。在鋼鐵企業(yè)中，燒結(jié)工序能耗約占整個(gè)鋼鐵流程能耗的18%[2-3]，是僅次于煉鐵的第二大耗能工序。而在燒結(jié)工序中約有一半左右的熱能被燒結(jié)過程產(chǎn)生的煙氣和冷卻機(jī)廢氣帶走。其中，燒結(jié)機(jī)煙氣帶走的余熱量占燒結(jié)工序能耗的13%～23%，環(huán)冷機(jī)廢氣帶走的余熱量占燒結(jié)工序能耗的20%～25%[4]，不僅浪費(fèi)了大量的余熱資源，還對(duì)環(huán)境造成污染。為了保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源，必須要對(duì)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱進(jìn)行有效回收。目前余熱利用的主要方式有余熱發(fā)電、產(chǎn)生蒸汽、熱風(fēng)燒結(jié)和預(yù)熱混合料。

　　工業(yè)論文投稿刊物：《節(jié)能技術(shù)》雜志是1983年由國(guó)防科工委批準(zhǔn)創(chuàng)辦的技術(shù)理論與應(yīng)用綜合類刊物。

　　一般認(rèn)為，利用余熱生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電是較為先進(jìn)高效的余熱利用技術(shù)[5]。吳禮忠等[6]通過數(shù)值模擬研究了燒結(jié)礦冷卻過程氣-固換熱規(guī)律，考慮余熱回收效率的同時(shí)優(yōu)化了料層厚度和給料溫度。倪鯤鵬[7]通過查閱資料，建立了環(huán)冷機(jī)冷卻工藝的數(shù)學(xué)模型，采用燒結(jié)礦熱物性經(jīng)驗(yàn)值研究了環(huán)冷機(jī)內(nèi)部流動(dòng)過程和傳熱傳質(zhì)過程。賴?yán)�[8]基于局部熱平衡理論，采用燒結(jié)礦變熱物性參數(shù)研究了環(huán)冷機(jī)內(nèi)氣固的傳熱與流動(dòng)問題。Pelagagge等[9-10]建立了集熱罩不同布置形式時(shí)燒結(jié)礦余熱回收方程，比較集熱罩不同布置形式不同工況參數(shù)條件下的余熱回收量，通過控制環(huán)冷機(jī)鼓風(fēng)量?jī)?yōu)化燒結(jié)礦的冷卻過程，使燒結(jié)礦余熱回收量最大化。

　　然而，目前的研究中熱物性參數(shù)大多采用鋼廠參考值，且多為定值，但實(shí)際過程中，這些參數(shù)會(huì)隨溫度不斷變化，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際過程產(chǎn)生較大偏差。此外，目前的多數(shù)研究是針對(duì)鼓風(fēng)量的變化對(duì)出口熱風(fēng)溫度的影響展開的，且多是研究環(huán)冷機(jī)的最優(yōu)參數(shù)。因此，文章以高溫?zé)釓U氣的余熱回收分析為背景，針對(duì)燒結(jié)礦冷卻數(shù)值模擬過程中存在的問題，以實(shí)驗(yàn)的物性參數(shù)代替經(jīng)驗(yàn)值，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)所建立的準(zhǔn)確模型，分析燒結(jié)礦粒徑和入口風(fēng)溫兩個(gè)因素對(duì)熱廢氣余熱發(fā)電量的影響。在保證燒結(jié)礦冷卻的同時(shí)還能高效回收燒結(jié)礦顯熱，對(duì)鋼鐵企業(yè)的綠色低碳和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

　　1模型建立

　　1.1物理模型

　　文章以某企業(yè)396m2的環(huán)冷機(jī)為研究對(duì)象，將環(huán)冷機(jī)分為5段。鼓風(fēng)機(jī)通過強(qiáng)制鼓風(fēng)，使冷卻空氣自下而上穿過料層，帶走熱量。臺(tái)車在軌道上勻速運(yùn)動(dòng)，環(huán)冷機(jī)床層可視為由多個(gè)固定床銜接而成[11]。在進(jìn)行數(shù)值模擬之前需要對(duì)物理模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化[12-13]:(1)冷卻風(fēng)經(jīng)風(fēng)道均勻進(jìn)入高溫?zé)�結(jié)礦底部;(2)臺(tái)車在軌道上勻速運(yùn)動(dòng)，各臺(tái)車內(nèi)的燒結(jié)礦依次勻速經(jīng)過每個(gè)風(fēng)道，各臺(tái)車內(nèi)的燒結(jié)礦冷卻過程一樣，是均勻?qū)ΨQ的;(3)沿臺(tái)車運(yùn)動(dòng)方向無熱量和質(zhì)量傳輸。根據(jù)某鋼廠環(huán)冷機(jī)參數(shù)及以上假設(shè)，建立環(huán)冷機(jī)二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型。

　　1.2數(shù)學(xué)模型

　　燒結(jié)礦冷卻過程中氣體通過燒結(jié)礦屬于標(biāo)準(zhǔn)的流體通過固體填充層的流動(dòng)，是典型的多孔介質(zhì)流-固耦合流動(dòng)。其控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和燒結(jié)礦固體及冷卻空氣的能量守恒方程。

　　1.3初始及邊界條件

　　空氣從燒結(jié)臺(tái)車底部被鼓風(fēng)機(jī)吹入，流經(jīng)燒結(jié)礦層進(jìn)行換熱后在臺(tái)車頂部排出。臺(tái)車底部設(shè)置為空氣入口，其流體速度和初始溫度由實(shí)際工況給定。臺(tái)車頂部設(shè)置為壓力出口，出口的回流壓力和回流溫度由實(shí)際工況給定。冷卻入口段的壁面設(shè)置為絕熱邊界;多孔介質(zhì)段和熱廢氣出口段的壁面設(shè)置為定熱流邊界。燒結(jié)礦的初始溫度為1073K，平均粒徑為60mm，入口平均風(fēng)溫為553K。

　　2熱電轉(zhuǎn)換原理

　　出口熱廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)。其中，鍋爐系統(tǒng)中工質(zhì)為水，燒結(jié)礦冷卻過程中產(chǎn)生的高溫?zé)釓U氣與水進(jìn)行換熱，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽再用于推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。做功后的乏汽排入凝汽器中凝結(jié)成水，再利用給水泵將凝結(jié)水輸送到余熱鍋爐中用于產(chǎn)生蒸汽，形成汽-水循環(huán)。而在余熱鍋爐中，鍋爐給水在省煤器中完成預(yù)熱任務(wù)，使水溫升高到接近飽和溫度，預(yù)熱熱量由經(jīng)蒸發(fā)器換熱后的燒結(jié)熱廢氣提供;在蒸發(fā)器中，水由液相變?yōu)轱柡驼羝麪顟B(tài)，熱量由經(jīng)換熱器換熱后的燒結(jié)熱廢氣提供。在過熱器中飽和蒸汽被加熱升溫為過熱蒸汽，熱量由燒結(jié)熱廢氣直接提供。

　　3結(jié)果與討論

　　溫度曲線幾乎完全平行，料層高度對(duì)溫度的影響較小，與實(shí)際生產(chǎn)偏差較大，3500s冷卻過程結(jié)束。而使用熱物性參數(shù)實(shí)驗(yàn)值對(duì)料層溫度模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)熱物性參數(shù)模擬結(jié)果差距較大，各料層高度溫度曲線斜率均有所不同，底部300mm料層降溫較快，600～1200mm降溫趨勢(shì)相似，而出口煙氣溫度受到下方料層高溫?zé)煔庥绊懀�降溫曲率較小，降溫過程持續(xù)到3800s。在600～800K區(qū)間范圍內(nèi)降溫速率最快，這和燒結(jié)礦的等效導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)。等效導(dǎo)熱系數(shù)在此溫度區(qū)間內(nèi)能到達(dá)峰值，因此燒結(jié)礦降溫速率最快。使用實(shí)驗(yàn)參數(shù)模擬結(jié)果溫度曲線更為平滑，使用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)模擬結(jié)果溫度明顯偏高，對(duì)比實(shí)際生產(chǎn)工況，燒結(jié)礦的物性參數(shù)采用實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行模擬更貼近鋼廠實(shí)際情況，模型更具可靠性。

　　3.1余熱發(fā)電量的分析

　　環(huán)冷機(jī)高溫段的主要熱回收方式為通過余熱鍋爐進(jìn)行發(fā)電，文章利用上述已驗(yàn)證的模型及熱電轉(zhuǎn)換原理，在燒結(jié)礦平均粒徑和入口平均風(fēng)溫的基礎(chǔ)上研究這兩個(gè)因素的變化對(duì)余熱發(fā)電量的影響。根據(jù)鋼廠的實(shí)際運(yùn)行工況，環(huán)冷機(jī)一段、二段熱廢氣流量為804312m3/h。

　　3.1.1燒結(jié)礦粒徑對(duì)余熱發(fā)電量的影響

　　通過查空氣焓濕表、未飽和蒸汽和過熱蒸汽焓圖[17]，計(jì)算各工況下的噸礦發(fā)電量和噸礦廢氣含熱量，計(jì)算其熱電轉(zhuǎn)換效率。不同燒結(jié)礦粒徑條件下的燒結(jié)礦噸礦發(fā)電量及熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算。燒結(jié)礦粒徑越小，噸礦發(fā)電量越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。燒結(jié)礦粒徑為50mm時(shí)噸鋼發(fā)電量比鋼廠運(yùn)行工況粒徑為60mm時(shí)噸礦發(fā)電量提高8.66%。

　　3.1.2入口風(fēng)溫對(duì)余熱發(fā)電量的影響

　　不同入口風(fēng)溫條件下的燒結(jié)礦噸礦發(fā)電量及熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算。入口風(fēng)溫越高，噸礦發(fā)電量越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高，在滿足冷卻條件的前提下，鋼廠運(yùn)行工況冷卻風(fēng)溫選擇583K比冷卻風(fēng)溫為553K時(shí)噸礦發(fā)電量提高7.81%。

　　4結(jié)論

　　建立了環(huán)冷機(jī)臺(tái)車內(nèi)燒結(jié)礦冷卻的氣固換熱模型，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出的燒結(jié)礦熱物性參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，并在該模型的基礎(chǔ)上分析了燒結(jié)礦粒徑和入口風(fēng)溫等因素對(duì)余熱發(fā)電量的影響，得出以下結(jié)論:

　　(1)燒結(jié)礦冷卻過程中熱物性參數(shù)隨溫度不斷變化，利用其實(shí)驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)值對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證。兩者的溫度曲線斜率相差較大，采用實(shí)驗(yàn)值模擬結(jié)果更接近實(shí)際運(yùn)行工況，模型更具可靠性。

　　(2)燒結(jié)礦粒徑和入口風(fēng)溫是影響余熱發(fā)電量的主要因素。在平均粒徑的基礎(chǔ)上增加或減小粒徑，研究其對(duì)余熱發(fā)電量的影響。燒結(jié)礦粒徑越小，噸礦余熱發(fā)電量越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高，粒徑為50mm時(shí)比實(shí)際運(yùn)行工況60mm時(shí)噸礦發(fā)電量提高8.66%。

　　(3)入口風(fēng)溫不同，出口熱廢氣的溫度不同。在入口平均風(fēng)溫的基礎(chǔ)上升高或降低風(fēng)溫，研究其對(duì)余熱發(fā)電量的影響。入口風(fēng)溫越高，噸礦余熱發(fā)電量越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高，冷卻風(fēng)溫選擇583K時(shí)比實(shí)際運(yùn)行工況553K時(shí)噸礦發(fā)電量提高7.81%。對(duì)燒結(jié)礦冷卻過程不同工況進(jìn)行模擬以找到最佳運(yùn)行參數(shù)，不僅可以節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，還可起到降低成本的作用。

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