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(huán)冷機上燒結(jié)礦冷卻過程進行數(shù)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(shù)對燒結(jié)礦余熱利用的影響, 并通過正交實驗找到了燒結(jié)礦余熱利用率最優(yōu)的冷卻過程運行參數(shù)組合。

關(guān)鍵詞: 余熱利用; 數(shù)值仿真; 環(huán)冷機

1 前 言

鋼鐵工業(yè)是高能耗工業(yè), 鋼鐵總能耗占全國工業(yè)總能耗的 15% 左右, 而鋼鐵生產(chǎn)過程中的能源有效率僅為 30%[1, 2]。當前我國燒結(jié)生產(chǎn)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(yè)燒結(jié)系統(tǒng)節(jié)能的潛力非常大。由于燒結(jié)礦冷卻廢氣的回收利用相較于燒結(jié)煙氣的回收利用在技術(shù)和流程上較為方便和可行, 因此, 燒結(jié)礦冷卻過程中的余熱回收利用成為了當前降低燒結(jié)工序能耗、提高余熱利用率的熱點。本文通過建立燒結(jié)礦冷卻過程的傳熱計算模型, 對環(huán)冷機上冷卻過程進行數(shù)值模擬, 并與現(xiàn)場測試相結(jié)合, 對影響燒結(jié)礦冷卻過程以及余熱利用的因素進行了系統(tǒng)研究, 得到單一運行參數(shù)對環(huán)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(huán)冷機余熱利用最優(yōu)運行參數(shù)組合。

2 研究方法

采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法進行, 通過現(xiàn)場實測的結(jié)果來驗證數(shù)學計算模型的合理性。

2、1 數(shù)值模擬方法

根據(jù)環(huán)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(wǎng)格劃分時, 首先將環(huán)冷機臺車整體進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分, 然后在環(huán)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(jié)合。環(huán)冷機臺車網(wǎng)格系統(tǒng)如圖 1。

采用多孔介質(zhì)模型來模擬燒結(jié)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(tài)下的單能量方程, 燒結(jié)礦在冷卻過程中與氣流存在著換熱, 溫度是不等的, 即燒結(jié)礦與氣體之間是局部非熱力學平衡狀態(tài), 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(jié)礦和冷卻空氣建立能量方程[ 5]如下:

以上兩式中, hv 為燒結(jié)礦與冷卻空氣之間的傳熱系數(shù)。其余參數(shù)的選取通過測試及在測試基礎(chǔ)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(jù)燒結(jié)礦的冷卻過程, 研究對象的邊界條件為: 環(huán)冷機臺車冷卻空氣入口邊界、環(huán)冷機臺車壁面、環(huán)冷機臺車頂部出口。對于環(huán)冷機臺車冷卻空氣入口邊界, 由于單位時間進入環(huán)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(shù)值以測試值為準。環(huán)冷機臺車壁面采用定熱流壁面。對于環(huán)冷機臺車頂部出口, 采用壓力出口邊界條件。

2、2 現(xiàn)場測試方法

結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)條件, 利用熱電偶測量環(huán)冷機余熱利用區(qū)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(shù)學模型的基礎(chǔ)上, 利用流體動力學計算軟件 FLUENT 對燒結(jié)礦冷卻過程進行數(shù)值模擬計算, 在保持其他參數(shù)不變的條件下, 考察單一因素對環(huán)冷機余熱利用的影響。以下分別對影響環(huán)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(qū)內(nèi)環(huán)冷機臺車入口風速、燒結(jié)礦料層高度、燒結(jié)礦粒徑、孔隙率、入口冷卻空氣溫度。

3、1 環(huán)冷機臺車入口風速對余熱利用的影響

不同環(huán)冷機臺車入口風速條件下, 環(huán)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(nèi)氣體帶走的熱量越多, 有效余熱利用量增加。

3、2 燒結(jié)礦料層高度

不同燒結(jié)礦料層高度下, 環(huán)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(huán)冷機出口煙氣的平均溫度隨著燒結(jié)礦層高度的增加而升高。由此可知,環(huán)冷機出口煙氣的平均溫度和有效余熱利用量隨著燒結(jié)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(yīng)增加料層高度, 以提高余熱回收率。

3、3 燒結(jié)礦粒徑

在燒結(jié)礦粒徑不同的條件下, 環(huán)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(jié)礦粒徑的增大將會導(dǎo)致環(huán)冷機臺車出口煙氣的平均溫度降低。由此可知, 環(huán)冷機出口煙氣平均溫度和有效余熱利用量隨著燒結(jié)礦粒徑的增大而減小。

3、4 孔隙率

不同孔隙率的情況下, 環(huán)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(huán)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(shù)值仿真結(jié)果的驗證

在常規(guī)工況下, 利用 origin 軟件對數(shù)值模擬計算所得到的結(jié)果進行曲線擬合, 圖 7 為環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨燒結(jié)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(shù)學公式對不同冷卻時間的出口煙氣溫度進行預(yù)測。

5 正交優(yōu)化仿真實驗

利用正交實驗的方法, 對影響環(huán)冷機上燒結(jié)礦余熱利用的七個主要運行參數(shù)進行優(yōu)化分析。七個運行參數(shù)分別是: 環(huán)冷機臺車上下層物料高度、上中下層的燒結(jié)礦粒徑、環(huán)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(yōu)化指標為燒結(jié)礦每小時的余熱利用量;根據(jù)燒結(jié)礦進入環(huán)冷機的實際溫度, 將燒結(jié)礦的初始溫度設(shè)定為 1 023115 K( 750 e ) 。表 1列出了正交實驗各工況仿真計算結(jié)果。

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

本實驗結(jié)果表明, 實驗中的七個不同參數(shù)的最優(yōu)組合為: 環(huán)冷機臺車下層物料高度為 014m, 環(huán)冷機臺車下層物料粒徑大小 01035 m; 環(huán)冷機臺車中層物料高度為 015 m, 環(huán)冷機臺車中層物料粒徑大小 01025 m; 環(huán)冷機臺車上層物料高度為 015 m, 環(huán)冷機臺車上層物料粒徑大小0103 m; 環(huán)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(yōu)參數(shù)組合的工況下, 模擬仿真計算得到燒結(jié)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(huán)冷機出口煙氣平均溫度為 660186 K, 比正常工況條件下環(huán)冷機出口煙氣平均溫度提高了 49185 K。

6 結(jié) 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(jié)礦冷卻仿真模型。

2) 利用數(shù)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(huán)冷機出口煙氣溫度和環(huán)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(shù)值仿真計算結(jié)果和在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分別進行曲線擬合, 得到了環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨冷卻時間變化的曲線。經(jīng)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(shù)學公式對不同冷卻時間的環(huán)冷機出口煙氣溫度進行預(yù)測。

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