王建平, 田万一

( 中冶长天国际工程有限责任公司, 湖南 长沙 410007)

摘 要: 通过对环冷机上烧结矿冷却过程进行数值仿真分析, 以提高余热综合利用率为目标, 研究了冷却过程运行参数对烧结矿余热利用的影响, 并通过正交实验找到了烧结矿余热利用率最优的冷却过程运行参数组合。

关键词: 余热利用; 数值仿真; 环冷机

1 前 言

钢铁工业是高能耗工业, 钢铁总能耗占全国工业总能耗的 15% 左右, 而钢铁生产过程中的能源有效率仅为 30%[1, 2]。当前我国烧结生产中余热利用效率与国际先进水平相比约有20% 以上的差距。因此, 我国钢铁行业烧结系统节能的潜力非常大。由于烧结矿冷却废气的回收利用相较于烧结烟气的回收利用在技术和流程上较为方便和可行, 因此, 烧结矿冷却过程中的余热回收利用成为了当前降低烧结工序能耗、提高余热利用率的热点。本文通过建立烧结矿冷却过程的传热计算模型, 对环冷机上冷却过程进行数值模拟, 并与现场测试相结合, 对影响烧结矿冷却过程以及余热利用的因素进行了系统研究, 得到单一运行参数对环冷机余热回收的影响趋势, 并通过正交实验的方法, 得到了环冷机余热利用最优运行参数组合。

2 研究方法

采用数值模拟与现场实测相结合的方法进行, 通过现场实测的结果来验证数学计算模型的合理性。

2、1 数值模拟方法

根据环冷机单个台车的实际几何尺寸建立物理模型, 其尺寸为实测值。本文对计算模型进行网格划分时, 首先将环冷机台车整体进行结构化网格划分, 然后在环冷机台车入口等重要位置局部加密, 这样可以同时保证计算精度和计算量的有机结合。环冷机台车网格系统如图 1。

采用多孔介质模型来模拟烧结矿的冷却过程, 以 Ergun 方程计算气流所受到的料层阻力。由于 FLUENT 中的能量方程为热力学平衡状态下的单能量方程, 烧结矿在冷却过程中与气流存在着换热, 温度是不等的, 即烧结矿与气体之间是局部非热力学平衡状态, 因此需要对能量方程进行一定的修正。本文采用局部非热平衡双能量方程模型[ 3, 4], 即分别对烧结矿和冷却空气建立能量方程[ 5]如下:

以上两式中, hv 为烧结矿与冷却空气之间的传热系数。其余参数的选取通过测试及在测试基础上的计算得到, 分别是: Qs= 1 600 kg/m3, <= 014, hv= 01199 w/ ( m3#K) , cs= 920 J/( kg# e ) 。

根据烧结矿的冷却过程, 研究对象的边界条件为: 环冷机台车冷却空气入口边界、环冷机台车壁面、环冷机台车顶部出口。对于环冷机台车冷却空气入口边界, 由于单位时间进入环冷机台车的冷却空气的速度是固定的, 所以采用速度入口边界条件, 数值以测试值为准。环冷机台车壁面采用定热流壁面。对于环冷机台车顶部出口, 采用压力出口边界条件。

2、2 现场测试方法

结合现场生产条件, 利用热电偶测量环冷机余热利用区出口烟气温度, 通过对测量位置选取不同的测点, 并对不同的测点进行多次测量, 取其平均值。

3 各因素对余热利用的影响

在前述建立的物理数学模型的基础上, 利用流体动力学计算软件 FLUENT 对烧结矿冷却过程进行数值模拟计算, 在保持其他参数不变的条件下, 考察单一因素对环冷机余热利用的影响。以下分别对影响环冷机余热回收利用量的五个主要因素进行仿真计算: 余热利用区内环冷机台车入口风速、烧结矿料层高度、烧结矿粒径、孔隙率、入口冷却空气温度。

3、1 环冷机台车入口风速对余热利用的影响

不同环冷机台车入口风速条件下, 环冷机出口烟气平均温度随时间变化曲线如图2 所示。

由图 2 可知, 随入口风速的增加, 出口烟气平均温度逐渐降低。说明入口风速越大, 单位时间内气体带走的热量越多, 有效余热利用量增加。

3、2 烧结矿料层高度

不同烧结矿料层高度下, 环冷机出口烟气平均温度随时间的变化曲线如图 3 所示。

由图 3 可知, 环冷机出口烟气的平均温度随着烧结矿层高度的增加而升高。由此可知,环冷机出口烟气的平均温度和有效余热利用量随着烧结矿层高度的增加而增大。因此, 在考虑鼓风机动力消耗允许的情况下, 应增加料层高度, 以提高余热回收率。

3、3 烧结矿粒径

在烧结矿粒径不同的条件下, 环冷机出口烟气平均温度随时间的变化曲线如图 4。

由图 4 可知, 烧结矿粒径的增大将会导致环冷机台车出口烟气的平均温度降低。由此可知, 环冷机出口烟气平均温度和有效余热利用量随着烧结矿粒径的增大而减小。

3、4 孔隙率

不同孔隙率的情况下, 环冷机出口烟气平均温度随时间变化曲线如图 5。

由图 5 可知, 在冷却过程初期阶段(200 s 之前), 随着孔隙率的增加, 出口烟气的平均温度增高; 在 200 s 之后, 则趋势相反。

3、5 入口冷却空气温度

在入口冷却空气温度不同的条件下, 环冷机出口烟气平均温度随时间的变化曲线如图 6。

由图 6 可知, 入口冷却空气温度升高, 使得出口烟气的平均温度升高。说明随着入口冷却空气温度的增加, 出口烟气平均温度和有效余热利用量也随之增加。

4 数值仿真结果的验证

在常规工况下, 利用 origin 软件对数值模拟计算所得到的结果进行曲线拟合, 图 7 为环冷机出口烟气平均温度随烧结矿冷却时间的变化曲线。如图所示, 拟合曲线与实测曲线能够理想重合。由此说明, 在工程实际中, 可以采用拟合曲线的数学公式对不同冷却时间的出口烟气温度进行预测。

5 正交优化仿真实验

利用正交实验的方法, 对影响环冷机上烧结矿余热利用的七个主要运行参数进行优化分析。七个运行参数分别是: 环冷机台车上下层物料高度、上中下层的烧结矿粒径、环冷机台车入口风速、冷却空气入口平均温度。七个因素之间相互独立, 本实验采用标准正交表 L18( 37) 。优化指标为烧结矿每小时的余热利用量;根据烧结矿进入环冷机的实际温度, 将烧结矿的初始温度设定为 1 023115 K( 750 e ) 。表 1列出了正交实验各工况仿真计算结果。

通过正交实验结果可得到, 七个不同运行参数按其对烧结矿余热利用的影响, 从强到弱的排序依次为: 环冷机台车入口风速、环冷机台车上层烧结矿粒径、环冷机台车中层烧结矿粒径、环冷机台车下层烧结矿粒径、冷却空气入口平均温度、环冷机台车下层物料高度、环冷机台车上层物料高度。

本实验结果表明, 实验中的七个不同参数的最优组合为: 环冷机台车下层物料高度为 014m, 环冷机台车下层物料粒径大小 01035 m; 环冷机台车中层物料高度为 015 m, 环冷机台车中层物料粒径大小 01025 m; 环冷机台车上层物料高度为 015 m, 环冷机台车上层物料粒径大小0103 m; 环冷机台车入口风速为 7165 m/ s; 冷却空气入口平均温度为 404 K。在此最优参数组合的工况下, 模拟仿真计算得到烧结矿余热利用量为 176 783 265 kJ/ h, 与正常工况条件下余热回收量相比, 提高了 2516%, 环冷机出口烟气平均温度为 660186 K, 比正常工况条件下环冷机出口烟气平均温度提高了 49185 K。

6 结 论

1) 利用 FLU ENT 软件作为计算平台, 采用局部非热力学平衡的双能量方程模型, 建立了烧结矿冷却仿真模型。

2) 利用数学物理模型进行模拟仿真, 在保持其它因素不变的情况下, 研究单一因素对环冷机出口烟气温度和环冷机余热利用量的影响。

3) 采用 origin 软件将利用 FLU ENT 软件得到的数值仿真计算结果和在现场实测数据分别进行曲线拟合, 得到了环冷机出口烟气平均温度随冷却时间变化的曲线。经过对比, 两条曲线重合理想, 所以在工程实际中可以采用拟合曲线的数学公式对不同冷却时间的环冷机出口烟气温度进行预测。

4) 利用正交试验方法, 对影响烧结矿冷却过程的七个运行参数进行正交试验分析, 找出了烧结矿余热利用率最大的参数组合, 从而达到提高烧结矿余热利用率的目标。