陳士柏 1 ，賽慶毅 1 ，張忠孝 1 ，張曉旭 1，彭巖 2 ，時小寶 2
( 1． 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093; 2． 中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471000)
摘 要: 為了確定和優(yōu)化一臺處理量為100 kg/h 豎罐式冷卻爐最優(yōu)結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，在分析豎罐冷卻段內(nèi)的氣固傳熱過程后，根據(jù)豎罐內(nèi)氣固換熱的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式給出豎罐內(nèi)的氣固傳熱計算步驟。在此基礎(chǔ)上確定影響罐體內(nèi)冷卻過程的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，主要包括冷卻段的高度、冷卻段的直徑、冷卻風(fēng)進口溫度和冷卻風(fēng)流量，并依次分析了各影響參數(shù)對冷卻過程的影響規(guī)律和出口參數(shù)即冷卻風(fēng)出口溫度、燒結(jié)礦出口溫度、出口冷卻風(fēng)所攜帶的 值及料層阻力損失的變化規(guī)律。利用正交分析法確定其適宜的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)組合。經(jīng)計算分析可知，對一臺處理量為100 kg/h 的豎罐爐，要使燒結(jié)礦溫度、冷卻風(fēng)溫度達到要求時，最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)是冷卻段高度為 1． 4 m，直徑 12． 2 cm，冷卻風(fēng)的表觀流速為 3． 0 m/s，冷卻風(fēng)進口溫度 40 ℃。
關(guān)鍵詞: 燒結(jié)余熱; 豎罐冷卻; 結(jié)構(gòu)參數(shù); 操作參數(shù); 熱力計算
0 引 言
以往國內(nèi)外大多數(shù)的燒結(jié)企業(yè)對于燒結(jié)余熱的回收仍然采用傳統(tǒng)的鼓風(fēng)式環(huán)冷機。這種余熱回收方式存在著冷卻系統(tǒng)漏風(fēng)嚴重、燒結(jié)礦余熱僅部分回收、熱載體( 即出冷卻機的熱空氣) 品質(zhì)較低等缺陷。為此技術(shù)研發(fā)人員根據(jù)干熄焦干熄爐技術(shù)和高爐煉鐵技術(shù)提出了用豎罐式回收燒結(jié)礦余熱的工藝。此工藝可以解決傳統(tǒng)冷卻機漏風(fēng)問題［1］ ，大大提高燒結(jié)礦余熱的回收利用率，燒結(jié)礦的品質(zhì)和冷卻廢氣的品質(zhì)也能得到明顯的提高，而且冷卻煙氣除塵負荷降低。而豎罐式回收從理論上的提出到實際的應(yīng)用，必須要解決它的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)問題，如冷卻段的高度、直徑、給風(fēng)量、進口風(fēng)溫等。
本文中探討了處理量為 100 kg/h 豎罐式冷卻爐的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)。通過數(shù)學(xué)計算的方法分析不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對燒結(jié)余熱回收的影響，來得到最佳的參數(shù)。
1 計算過程
1． 1 計算內(nèi)容
燒結(jié)余熱豎罐式回收從本質(zhì)上說是氣固逆流換熱。冷卻風(fēng)從罐體底部鼓入與從罐體上部來的燒結(jié)礦進行逆流換熱，進而將熾熱的燒結(jié)礦冷卻并將冷卻氣體加熱( 見圖 1) 。工程上要求在將燒結(jié)礦冷卻到一定溫度的前提下，盡可能得到較高值的冷卻廢氣，從而進行后面的余熱發(fā)電。豎罐內(nèi)氣固換熱充分均勻是達到這一要求的必要條件。經(jīng)分析，影響豎罐內(nèi)氣固換熱的因素有冷卻段的高度、直徑、給風(fēng)量、進口風(fēng)溫。本文中以處理量為 100 kg/h 豎罐式冷卻爐為研究對象，探討在不同的冷卻段高度、直徑、給風(fēng)量、進口溫度下對豎罐內(nèi)氣固換熱的影響，并得到最佳的冷卻段高度、直徑、給風(fēng)量、進口溫度。
1． 2 計算原理
燒結(jié)余熱豎罐式回收存在著三類變量。第一類，豎罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù); 第二類，豎罐內(nèi)氣體流動和氣固換熱特性; 第三類，從豎罐排出的熱載體溫度與流量，以及燒結(jié)礦溫度與處理量［2］ 。通過改變第一類變量可以影響第二類變量，而豎罐內(nèi)氣固流動和換熱發(fā)生改變則會影響從豎罐排出的熱載體溫度與流量，以及燒結(jié)礦溫度。所以要得到燒結(jié)工藝要求的冷卻廢氣和燒結(jié)礦的出口溫度，確定豎罐回收工藝的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，必須得到豎罐內(nèi)冷卻氣體和燒結(jié)礦的換熱規(guī)律。
為此文獻［3］中作者通過實驗手段，測得燒結(jié)余熱回收冷卻罐體內(nèi)不同工況下的料層傳熱過程相關(guān)數(shù)據(jù)，然后利用量綱分析法推導(dǎo)出關(guān)于料層傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。即適合豎罐的，在不同冷風(fēng)流量、料層高度、顆粒大小以及溫度情況下的 Nu 關(guān)聯(lián)式:
式中: Re 為冷卻流體的雷諾數(shù); Pr 為冷卻流體的普朗特數(shù); h 為冷卻段高度; d p 為燒結(jié)礦的當量直徑; T f ，T w 分別為冷卻流體和燒結(jié)礦的平均溫度。
在此特征數(shù)關(guān)聯(lián)式基礎(chǔ)上，本文中先假設(shè)冷卻風(fēng)的出口溫度，燒結(jié)礦的出口溫度，從而得到假設(shè)溫度下的冷卻風(fēng)和燒結(jié)礦的物性參數(shù)。根據(jù)冷卻風(fēng)量、物性參數(shù)和特征數(shù)關(guān)聯(lián)式就可以計算出氣固對流換熱量，用循環(huán)迭代的方法讓對流換熱量和冷卻介質(zhì)的熱力學(xué)能增量以及燒結(jié)礦的熱力學(xué)能減少量相等，最終算出冷卻風(fēng)和燒結(jié)礦的出口溫度。具體計算流程如圖 2 所示。
1． 3 工況選取
豎罐內(nèi)燒結(jié)礦的處理量為 100 kg/h，燒結(jié)礦的密度為 1700 kg/m 3 ，燒結(jié)礦在豎罐內(nèi)的下降速度為 1 ～ 2 mm/s ［4］ 。豎罐的直徑為 10． 2 ～ 14． 2cm，本文中取 10． 2、11． 2、12． 2、13． 2、14． 2 這五個值加以討論。由文獻［5］可知，豎罐的高度不可超過 1． 5 m，本文中也取五個值予以討論: 1． 1、1． 2、1． 3、1． 4、1． 5 m。冷卻風(fēng)的入口溫度也影響豎罐余熱回收的經(jīng)濟性能［6］ ，本文中取五個值:25、30、40、50、60 ℃。本文中將 h = 1． 3 m、d =12． 2 m、tgi = 40 ℃ 作為基準工況，分別討論在不同工況下( 冷卻段高度、冷卻段直徑、冷卻風(fēng)進口溫度) ，各參數(shù)( 包括冷卻風(fēng)和燒結(jié)礦的出口溫度、冷卻風(fēng) 值、料層阻力) 隨冷卻風(fēng)量的增加的變化規(guī)律( 注: 在改變一個工況時，其他工況取標準工況) 。具體工況見表 1。
1． 4 單一參數(shù)對豎罐內(nèi)氣固傳熱過程的影響
1． 4． 1 冷卻段高度對氣固傳熱過程的影響
圖3 給出了不同高度下燒結(jié)礦出口溫度隨表觀流速的變化曲線。由圖3 可知，在不同高度下燒結(jié)礦的出口溫度隨表觀流速的增大而降低，降低的幅度隨流速的增大而減小。同一表觀流速下，冷卻段高度越高，燒結(jié)礦的出口溫度就越低。這是因為冷卻段高度越高，燒結(jié)礦在冷卻段的冷卻時間就越長，換熱就越充分。如果燒結(jié)礦的出口溫度要求在150 ℃ 以下，高度 h = 1． 5 m，表觀流速要大于3 m/s; 高度 h =1． 4 m，表觀流速要大于 3． 1 m/s;高度 h =1．3 m，表觀流速要大于3．2 m/s; 高度 h =1． 2 m，表觀流速要大于 3． 4 m/s; 高度 h =1．1 m，表觀流速要大于3．5 m/s。而當流速大于 4． 5 m/s時，燒結(jié)礦的出口溫度趨于平緩?？紤]到鼓風(fēng)機的電耗問題［8］ ，表觀流速應(yīng)該控制在3 ～4．5 m/s。
圖 4 給出了不同高度下冷卻氣體出口溫度隨流速的變化曲線。由圖 4 可知，冷卻風(fēng)的出口溫度隨表觀流速的增大而降低，且降低的趨勢呈線性變化。在同一表觀流速下，冷卻段高度越高，冷卻風(fēng) 的 出 口 溫 度 就 越 高 ( 尤 其 在 速 度 小 于3． 5 m/s時比較明顯，在大于 3． 5 m/s 后曲線趨于重合，也就是說，表觀流速大于 3． 5 m/s 后，高度對冷卻風(fēng)出口溫度影響不大) ，這是因為增大了冷卻段高度，換熱時間越充分，出口的冷卻風(fēng)溫度就越高。出口溫度越高，熱品質(zhì)就越高。若要求出口冷卻風(fēng)的溫度在450 ℃以上［7］ ，高度 h =1． 5 m，表觀流速要小于 3． 4 m/s; 高度 h =1． 4 m，表觀流速要小于 3． 3 m/s; 高度h =1．3 m，表觀流速要小于3．2 m/s; 高度 h =1．2 m，表觀流速要小于 3． 1 m/s; 高度 h =1．1 m，表觀流速要小于 2． 8 m/s。則冷卻風(fēng)的表觀速度應(yīng)該控制在2．8 ～3．5 m/s。
圖 5 和圖 6 分別給出了不同高度下火用值和火用效率隨流速的變化曲線。由圖 5 可知，在不同的高度下，熱載體出口的火用值隨流速的增加先增大后減小。最大值都在 2． 8 ～ 3． 5 m/s 的風(fēng)速內(nèi)取到。高度 h =1． 5 m 時，最大火用值在 3 m/s 取到，為4474 W; 高度 h = 1． 4 m 時，最大火用值在3 m/s取到，為 4377 W; 高度 h =1． 3 m 時，最大火用值在3． 1 m/s 取到，為4310 W; 高度 h =1． 2 m 時，最大火用值在 3． 2 m/s 取到，為 4169 W; 高度 h = 1． 1時，最大火用值在3． 2 m/s取到，火用值為 4047 W; 相同的風(fēng)速，當高度越高時熱載體出口的火用值就越大，這是因為冷卻段高度越高，冷卻風(fēng)在罐內(nèi)換熱的時間就越長，所以出口的火用值就越大。圖 6效率跟熱載體出口的火用值相似，效率達到最大時在2． 8 ～3． 5 m/s 取得。
圖 7 和圖 8 分別給出了不同高度下熱載體的壓力損失和氣固比隨表觀流速的變化規(guī)律。由圖 7 可以看出壓力損失隨流速的增大而增大，且大概呈線性關(guān)系。相同流速下，高度越高，壓力損失就越大，而且流速越大不同高度的單位高度壓力損失差值有擴大的趨勢。由圖 8 可知，氣固比與風(fēng)速呈線性關(guān)系。
綜上所述，若要燒結(jié)礦達到要求溫度，則冷卻氣體的表觀流速應(yīng)該在 3 ～4． 5 m/s，若要冷卻氣體出口溫度達到要求，表觀流速應(yīng)該在 2． 8 ～3． 5 m/s。要使 效率達到要求值，表觀流速應(yīng)該在 2． 8 ～3． 5 m/s。所以要使各參數(shù)達到要求值，表觀流速應(yīng)該在 2． 8 ～3． 5 m/s。
1． 4． 2 冷卻段直徑對氣固傳熱過程的影響
圖 9 至圖 14 給出了不同冷卻段直徑下，各出口參數(shù)隨表觀流速的變化規(guī)律。由圖 9 可知，不同冷卻段直徑下，燒結(jié)礦的出口溫度隨表觀流速的增大而降低，且變化的趨勢慢慢減小。同一表觀流速下，若將燒結(jié)礦冷卻到 150 ℃，則直徑越大，所需要的表觀流速就越小。這是因為直徑越大，燒結(jié)礦的下降速度就越慢，燒結(jié)礦在罐內(nèi)停留的時間就越長。若將燒結(jié)礦冷卻到150 ℃，直徑為10． 5 cm時表觀流速為 6 m/s，直徑 11． 5 cm 時表觀流速為4． 7 m/s，直徑12． 5 cm 時表觀流速為3． 7 m/s，直徑13． 5 cm 時表觀流速為3 m/s，直徑14． 5 時表觀流速為 2． 5 m/s。
圖 10 顯示了熱載體在不同冷卻段直徑下，隨著表觀流速的增大，出口溫度的變化規(guī)律。由圖10 可知，出口溫度隨表觀流速的增大而降低，且降低的幅度越來越小。同一表觀流速下，冷卻段直徑越小，熱載體出口的溫度就越高。這是因為直徑越小，燒結(jié)礦下降就越快，冷卻風(fēng)和燒結(jié)礦換熱就越劇烈，換熱就越充分，冷卻風(fēng)的出口溫度就越高。若要求冷卻風(fēng)的出口溫度在 500 ℃以上，則表觀速度應(yīng)該在 2 ～3 m/s。
圖 11 顯示了冷卻風(fēng)出口火用值隨表觀流速的變化規(guī)律。由圖 11 可知 值也是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。且在 2． 5 ～ 4． 5 m/s 的時候取最大值。
圖 12 中， 效率跟火用值變化趨勢相同。
圖 13 中，料層阻力損失基本上呈線性變化趨勢。同一表觀流速時直徑越小阻力就越大，這是因為直徑小時燒結(jié)礦的孔隙率就小，孔隙率小料層阻力就大［8］ 。
圖 14 顯示了氣固比隨表觀流速呈線性關(guān)系。同一表觀流速下，直徑越大氣固比就越大，這是因為流速一定時，直徑越大，所需要的風(fēng)量就越多。
綜上所述，若要使燒結(jié)礦出口溫度、冷卻風(fēng)出口溫度和出口 值都達到設(shè)計要求，則冷卻風(fēng)的表觀流速應(yīng)該在 2 ～3 m/s。
1． 4． 3 進口風(fēng)溫對氣固傳熱過程的影響
圖 15 至圖 20 給出了不同冷卻風(fēng)進口溫度下、各個參數(shù)隨表觀流速的變化規(guī)律。從圖 15 可以看出，在不同的冷卻風(fēng)進口溫度下，隨著表觀流速的增大，燒結(jié)礦的出口溫度是降低的，且降低的速率基本上呈線性變化。在同一表觀流速下，進口冷卻風(fēng)的溫度越低，燒結(jié)礦的出口溫度就越低。這是因為進口冷卻風(fēng)的溫度越低，與燒結(jié)礦的溫差就會越大，換熱量就會越大［9］ 。由圖15 還可以看出，若將出口燒結(jié)礦的溫度冷卻到150 ℃，則冷卻風(fēng)的表觀流速應(yīng)該在 2． 8 ～3． 6 m/s。
圖16 顯示了冷卻廢氣出口溫度在不同冷卻風(fēng)進口溫度下隨著表觀流速增大的變化規(guī)律。從圖16中可以看出，冷卻風(fēng)的出口溫度隨表觀流速的增大而降低，且降低的趨勢大概呈線性變化。在同一表觀流速下，冷卻風(fēng)的進口溫度越高，出口溫度就越高。若要求冷卻風(fēng)的出口溫度在 500 ℃以上，則根據(jù)圖可知表觀流速應(yīng)該控制在2．7 ～3．1 m/s。
圖17 中，冷卻廢氣出口火用值在不同的冷卻風(fēng)進口溫度下隨著表觀流速的增大呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。在同一表觀流速下，冷卻風(fēng)的進口溫度越高，出口的火用值就越大［10］ 。且表觀流速在2．8 ～3．3 m/s 時火用值達到最大值。
圖 18 中， 效率的變化趨勢和出口火用相似。
圖 19 中，單位料層阻力在不同的冷卻風(fēng)進口溫度下隨表觀流速的增大而增大且大約呈線性關(guān)系。且在同一表觀流速下，不同的冷卻風(fēng)進口溫度單位料層阻力損失并不是很大。
圖 20 中，氣固比呈線性關(guān)系。
綜上所述，若要使燒結(jié)礦出口溫度、冷卻風(fēng)出口溫度和出口 值都達到設(shè)計要求，則冷卻風(fēng)的表觀流速應(yīng)該在 2． 8 ～3． 1 m/s。
2 結(jié)果分析
以上討論了不同冷卻段高度、不同冷卻段直徑和不同冷卻風(fēng)進口溫度下，燒結(jié)礦和冷卻風(fēng)的各個參數(shù)隨表觀流速的變化規(guī)律。從圖中可以看出，冷卻風(fēng)的表觀流速越大，燒結(jié)礦的出口溫度越低，冷卻風(fēng)的出口溫度越低，冷卻風(fēng)出口 值和效率先增大后減小，單位料層阻力損失增大。
冷卻段高度越高，燒結(jié)礦的出口溫度就越低，冷卻風(fēng)的出口溫度也越高，冷卻風(fēng)出口火用值和火用效率也越大。單位料層阻力也受到冷卻段高度的影響，高度越高，阻力就越大，甚至還會出現(xiàn)氣流難以透過料層的問題。所以綜合考慮，既讓燒結(jié)礦出口溫度達到要求，且冷卻風(fēng)的出口溫度較高，料層損失不夠大，出口 值也足夠大，冷卻段的高度就存在著一個最佳值。從圖中也可以看出，冷卻段的直徑越大，燒結(jié)礦的出口溫度就越低，且出口火用值，火用效率越大，料層阻力損失降低。但是冷卻風(fēng)的出口溫度降低，且氣固比增大，增加了給風(fēng)機的電耗。所以綜合考慮這幾個因素，冷卻段的直徑也存在著一個最佳值。而冷卻風(fēng)的進口溫度越高，冷卻風(fēng)的出口溫度就越高，出口火用值也越大，火用效率也越高。但是燒結(jié)礦的出口溫度是增高的。所以要讓幾個參數(shù)都達到一個理想值，冷卻風(fēng)的進口溫度也存在一個最佳值。但從上一節(jié)的圖中也可以看出，冷卻風(fēng)的進口溫度對各參數(shù)的影響并不是很大。
對于各個結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)最優(yōu)值的確定，本文中選擇多指標正交試驗法進行優(yōu)化［11］ 。把參數(shù)值越高越好的稱為正項指標( 如冷卻風(fēng)的出口溫度、出口 值和 效率) ，把參數(shù)越低越好的稱為負向指標( 如燒結(jié)礦的出口溫度、單位料層阻力損失、氣固比) 。目標是讓正項指標盡量大，讓負向指標盡量小，從而達到最優(yōu)的效果。但是各個參數(shù)對最優(yōu)結(jié)果的影響程度是不同的，如高度對各參數(shù)的影響較大，而冷卻風(fēng)進口溫度的影響較小，這種差異稱為權(quán)重。按權(quán)重由主到次排序為冷卻段的高度、冷卻風(fēng)的表觀流速、冷卻段的直徑、冷卻風(fēng)進口溫度。經(jīng)過綜合分析，本文中得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)見表 2，在此結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)下各個出口參數(shù)值見表3。
在表 2 結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)下，燒結(jié)礦的出口溫度和冷卻風(fēng)的出口溫度基本上都能達到要求，且冷卻風(fēng)的出口火用和火用效率也比較大。單位料層阻力損失較小。與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)式環(huán)冷機相比，在達到相同的燒結(jié)礦冷卻溫度下，冷卻風(fēng)的出口溫度提高了將近100 ℃，出口 火用值也大大提高。火用效率也從原來的不到 30% 提高到 70%。氣固比也降為原來的三分之一。大大降低了鼓風(fēng)機的電耗。由此可知，與傳統(tǒng)的環(huán)冷機相比，豎罐式冷卻機具有明顯的優(yōu)勢。
3 結(jié) 論
( 1) 豎罐冷卻段高度、直徑、給風(fēng)量、給風(fēng)溫度都會影響燒結(jié)余熱豎罐回收的經(jīng)濟性能。其中影響最大的是冷卻段高度，其次是給風(fēng)量、冷卻段直徑，最后是給風(fēng)溫度。在一定范圍內(nèi)，高度越高，經(jīng)濟性能越好。給風(fēng)量和冷卻段直徑都存在著一個最佳值;
( 2) 通過計算分析，當冷卻段高度為 1． 4 m，直徑 12． 2 cm，冷卻風(fēng)的表觀流速為 3． 0 m/s，冷卻風(fēng)進口溫度40 ℃時，各個參數(shù)達到最優(yōu)值。在此結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)下，與傳統(tǒng)環(huán)冷機相比，豎罐式冷卻具有明顯的優(yōu)勢;
( 3) 經(jīng)過優(yōu)化各參數(shù)的豎罐式冷卻爐與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)式環(huán)冷機相比，在達到相同的燒結(jié)礦冷卻溫度下，冷卻風(fēng)的出口溫度提高了將近 100 ℃， 效率也從原來的不到30%提高到 70%。氣固比也降為原來的三分之一，大大降低了鼓風(fēng)機的電耗。
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