摘 要： 隨著鋼鐵企業的發展，燒結餘熱回收利用尤其在餘熱發電方面取得了長足的進步，國內燒結廠大多都建設環冷機餘熱回收系統，該設計是基於燒結礦冷卻，而非餘熱回收，因此餘熱回收效率較低，基於此，國內提出了燒結礦餘熱豎罐式回收工藝流程。對於豎罐餘熱回收裝置，冷卻段內氣體流動特性對裝置餘熱回收效率會產生重要影響，本文結合大量文獻所描述的實驗和模擬，主要針對裝置內氣體流動問題以及裝置結構和操作參數，進行文獻綜述。目前，豎罐式餘熱回收裝置結構方面還有一些參數尚未確定最佳數據，例如進料口選擇多口還是單口，回收裝置選擇圓形還是方形。本文對前人的研究結果進行歸納總結，綜述餘熱回收發展現狀，並依託文獻與工業實際提出觀點及建議，為後續研究提出方向，奠定基礎。
關鍵詞 :餘熱回收;氣體流動;空隙率;豎罐式回收;裝置結構;
Abstract： With the development of country's iron and steel enterprises,sintering waste heat recovery and utilization have made considerable progress,especially in waste heat power generation. Most domestic sintering plants have built circulating cooler waste heat recovery systems. The design is based on sinter cooling rather than waste heat recovery. The waste heat recovery efficiency is low. Based on this,a vertical tank recovery process of sintering waste heat has been proposed in China. For the vertical tank waste heat recovery device,the gas flow characteristics in the cooling section will have an important impact on the waste heat recovery efficiency of the device. This article combines the experiments and simulations described in a large number of documents. A literature review was conducted for the problems of gas flow in the device and the device structure and operating parameters. At present,there are still some parameters in the structure of the vertical tank waste heat recovery device that have not yet determined the best data,such as the choice of multi-port or single-port for the feed inlet,and round or square for the recovery device. This article summarizes the results of the predecessors,summarizes the development status of waste heat recovery,and puts forward its own opinions and suggestions based on the literature and industry practice,and lays the foundation for the future research.
Keyword： Waste heat recovery; Gas flow; Void fraction; Vertical tank recycling; Device structure;
1 、前言
燒結是指在高爐煉鐵之前，將粉狀含鐵原料配入適量的燃料，溶劑，加入適量的水在燒結機上燒結成塊的過程。中國鋼鐵企業燒結工序能耗約占鋼鐵企業總能耗的15%，是僅次於煉鐵的第二大耗能工序[1]。燒結過程中餘熱資源包括兩部分:燒結礦顯熱和燒結煙氣顯熱，分別占燒結工序總熱量的40%～45%和15%～20%[2]，燒結餘熱屬於中低品質的熱源，這部分熱量可以直接回收用於熱風燒結，熱風點火助燃以及燒結混合料乾燥，另外也可以用於產生蒸汽，熱水，低溫供暖。因此能夠充分利用這部分熱量對於鋼鐵企業的節能減排具有重要意義。在燒結過程中，燒結礦欠燒廢氣溫度較高，因此需要熱回收性能更好的裝置回收燒結餘熱。
當前燒結餘熱豎罐爐是燒結餘熱回收的主要裝置，相比環冷機餘熱回收工藝流程，該裝置具有餘熱回收效率較高、漏風率較低，粉塵排放量少等優點[3]。目前對於豎罐爐的研究主要集中在裝置結構，冷卻段內氣體的流動特性以及氣固傳熱特性，裝置結構參數會直接影響餘熱回收效率，因此需要對罐體的形狀，進料，排料口的個數，風帽的布置方式等進行優化。冷卻段內氣體的流動特性以及氣固傳熱的模型是影響燒結餘熱回收的主要影響因素，增強流體流動與優化換熱可以提高裝置餘熱回收效率。
本文主要綜述分析了燒結礦豎式餘熱回收裝置結構參數以及操作參數的確定、冷卻段內氣體流動問題和燒結礦流動問題，裝置結構參數的優化，具體闡述影響氣體流速因素的確定方法以及建立的各種傳熱模型等，並對今後的研究方向和研究方法提出觀點以及建議。
2、 裝置結構和操作參數研究現狀
2.1 、裝置結構參數
借鑑干法熄焦中干熄爐結構和工藝，同時參考高爐煉鐵的結構，國內提出了燒結礦餘熱豎罐式回收利用的結構與工藝。環冷機是在上下所固定的風箱中「穿行」，這種「臥式」結構導致冷卻系統的漏風不可避免，降低餘熱回收的效率，同時還會增加顆粒物排放污染環境，因此需要將「穿行」變為「靜止」，從根源上避免漏風的產生，將「臥式」變為「立式」，從根源上保證冷卻空氣的品質，從而有利於後續的餘熱回收利用[4,5,6]。豎式餘熱回收裝置幾乎可以實現燒結餘熱的全部回收，克服了傳統環冷機漏風嚴重以及只能回收溫度較高部分燒結礦餘熱弊端。改變了環冷機只限於燒結礦冷卻而不能高效回收餘熱的局面。同時燒結礦在豎罐爐的預存段內可以保溫，燒結礦的轉鼓強度、成品率以及冶金性能方面比傳統冷卻機有所提高，其次燒結礦在向下移動過程中，燒結礦受機械力作用，脆弱部分及生礦部分得以篩除，成品率得到提高，採用熱風冷卻後，燒結液相冷卻速度變緩，玻璃相相應減小，內應力得到釋放，會使燒結礦質量更加均勻[7]。
冷卻段是燒結餘熱豎罐裝置內熱量交換的重要場所，對裝置熱回收效率的提高起到決定性的作用。陳士柏等[8]藉助多物理場渦合軟體Comsol和Fluent模擬了不同氣固比以及不同冷卻段高度對豎式爐內氣體流動，換熱特性以及料層阻力特性的影響，在生產能力不變且燒結礦冷卻到同一效果時，在一定範圍之內，隨著冷卻段高度的增加，冷卻風溫度升高，燒結礦溫度降低，空氣出口攜帶的火用值先增加之後趨於平緩。實際工業運行過程中，冷卻段高度也不能過高，過高的料層會增大氣體穿過料層的阻力，導致鼓風機耗能增加，淨髮電量降低;另外料層過高還會使燒結礦互相擠壓、破碎，形成緻密堆積層，導致冷卻氣體無法穿過料層，出現風機憋壓的情況。在保持冷卻高度不變的情況下，床徑比的變化也會對燒結礦冷卻產生影響;當床徑比增大時，即豎式爐的直徑變小時，燒結礦出口溫度逐漸減小，冷卻風出口溫度逐漸增大。餘熱回收豎式爐的冷卻段高度和直徑大小對餘熱的回收起到關鍵作用，後續的研究可通過大量的實驗以及數值模擬來確定最佳冷卻段高度及直徑。
侯朝軍等[9]考慮到單進口進料會導致布料不均勻，採用六口布料的形式，其中六口布料又採用雙排三料口的布置方法，保證布料的均勻性。排料也採用六口排料的形式，其中六口排料也採用雙排三料口的布置方法。通過均勻布料與均勻排料，實現燒結礦在罐內均勻分布，減少局部偏析，提高燒結礦冷卻的均勻性。罐體底部結構為矩形，底部供氣裝置採用環形供風，錐斗出風形式，環形風道間均勻布置支撐件，罐體的周邊冷卻風通過十字風道向6個下料口供風，每個料口的中心風帽向料口四周錐斗供風，形成由罐體四周向料口中心再由料口中心向料口四周的供風形式，實現均勻冷卻。
孫俊傑等[10]採用離散單元法研究了緩衝倉與豎冷爐內燒結礦顆粒的偏析行為，通過在緩衝倉加入分料板可以緩解一次偏析，在加入分料板之後會使顆粒在中心位置處形成料坑，料坑中心對應兩個喉管的中心線，這種布置方式不僅緩解了一次偏析造成的不同喉管處粒度差異問題，還會使喉管處大顆粒增多，有利於提高中心配風的占比。另外在喉管處將原先底部的直通喉管一分為四，增加四個分流管。改造之前燒結礦在喉管下方會形成一個大的堆料，而改造之後會在分流管下部形成四個小的堆料，這種布置方式增加了料層的有效高度，在整個平面上小顆粒會分布的更加均勻，明顯改善二次偏析的問題。
畢傳光等[11]通過數值模擬的方法，並根據設計院提供的初步條件，對梅鋼豎式餘熱回收裝置的爐型進行了選擇。根據現有設計的進料方式，矩形豎爐入料口存在嚴重的燒結礦顆粒的偏析行為，後續可以增加進料口的個數(6個進料口)降低每個下料堆尖因為散料滾動造成的物料偏析，另外採用多排料口實現均勻排料抑制下料過程中物料粒度的進一步偏析。模擬結果表明矩形豎爐爐料運動偏析稍優於圓形截面豎爐;並且矩形豎爐壓力損失小於圓形豎爐。因此梅鋼選擇矩形豎爐作為最終的方案。國內有關豎式餘熱回收裝置形狀的文獻相對較少，也未進行深入的研究，不同形狀的裝置在餘熱回收過程中的利弊仍然需要通過大量的實驗及模擬進行確定，從而確定最佳爐型。
2.2 、裝置操作參數
裝置的操作參數對豎式餘熱回收裝置的餘熱回收效率產生重要的影響。燒結礦入口溫度，冷卻風進口溫度以及冷卻風量都會影響冷卻段內氣固傳熱特性。當燒結礦入口溫度升高，與冷卻空氣溫度差增大，導致傳熱量增加。同理冷卻空氣入口溫度減小，也會增加氣固之間的換熱量。影響換熱的操作參數還有氣固比、燒結礦粒徑、冷卻風流速等，基於以上操作參數進行優化對提高餘熱回收效率具有重要意義。
李明明[12]通過實驗研究了單一參數(進口風溫，冷卻風表觀流速等)對豎罐內氣固傳熱的影響。在不同冷卻段高度下，冷卻風表觀流速越大，燒結礦出口溫度越小，換熱效果越好，原因是隨著氣體流速增大，燒結礦料層中受到氣體擾動的程度不斷增強，換熱表面的顆粒層更新趨於頻繁，換熱係數迅速增加導致換熱量增加，但是燒結礦出口溫度減小的幅度隨著表觀流速的等大趨於平緩。同一表觀流速下，冷卻段高度越高，燒結礦出口溫度越低，可以更好保證出口燒結礦溫度達到工藝要求;並且在同一表觀流速下，進口風溫度越高，燒結礦出口溫度越高，冷卻風出口處溫度也越高，出口處火用值也越大，在其他條件不變的情況下，冷卻風進口溫度越小越有利於燒結礦冷卻，但是此時冷卻風出口處溫度降低，火用值減小，因此在確定冷卻風進口溫度時還需綜合考慮火用值的變化情況。
當其他實驗參數不變時，床層內燒結礦粒徑也會對氣固傳熱效果產生影響，床層內燒結礦粒徑越小，氣固間的導熱熱阻就會減小，氣固換熱面積增大，單位時間內氣固換熱量就會增大，從而造成床層內氣固傳熱係數增大。
馮軍勝等[13]通過實驗得到燒結礦顆粒直徑越大，出口空氣溫度和床層內燒結礦溫度越低，並且燒結礦冷卻至常溫的時間隨隨粒徑增大而減小。當床層內燒結礦高度一定時，較大粒徑燒結礦會導致床層空隙率增加，床層空隙率的增加又會導致顆粒堆密度減小，床層內燒結礦熱容量就會減少，燒結礦冷卻速度加快，從而縮短燒結礦到達常溫狀態的時間。
3 、研究現狀
3.1 、冷卻氣體流動問題
冷卻空氣流經燒結礦床層的流動狀態會直接影響豎式餘熱回收站裝置餘熱回收的效率，影響冷卻空氣流動的因素很多，例如床層空隙率、冷卻空氣表觀流速、燒結礦在床層內是否分布均勻等。其中床層空隙率是最重要的一個影響因素，因為床層空隙率與其他各個因素都有不同的聯繫，只有精確測量空隙率的大小才更有利於其他研究。
張朋剛[14]通過實驗得方法先後嘗試了斷面剖分法、空氣流速測量計算法、斷面圖像分析法測量床層的空隙率，斷面剖分法由於環氧樹脂流動性差不能進行有效填充，並且在斷面切割過程中由於溫度過高出現碳化現象，導致剖分後的斷面空隙率無法做下一步處理測試;空氣流速測量計算方法由於皮托管位置不好選擇，不能正常讀數，導致測量出來的空隙率精度較差;斷面圖像分析法目前作為散料床測量空隙率的新方法，運用了高清拍照技術、斷面顯影技術以及圖像處理技術，可以比較準確的測量料層內不同高度處的空隙率分布。張朋剛運用斷面圖像分析法精確測量了床層徑向空隙率分布，並且研究了邊緣效應對於床層徑向空隙率的影響，對於不規則的燒結礦顆粒，近壁區域徑向空隙率受邊緣效應影響較大，隨著環徑比增加，徑向空隙率開始趨向於穩定;當床徑比小於10，空隙率振蕩幅度較大，邊緣效應對空隙率的影響十分明顯，床徑比大於10，邊緣效應對於徑向空隙率的影響較小，可以忽略。
馮軍勝[15]通過實驗研究得出影響燒結餘熱豎罐爐內氣體流動的主要因素有燒結礦粒徑，床層空隙率以及冷卻氣體表觀流速。其中單位料層壓力降與氣體表觀流速呈現二次方關係，在燒結礦粒徑一定的情況下，氣體表觀流速越大，空氣穿過料層單位高度壓力降就越大，氣體表觀流速一定的情況下，顆粒直徑的增大會直接導致床層空隙率的增大，單位料層壓力降隨顆粒直徑的增大呈現出指數衰減的關係。
同時馮軍勝等[16,17]通過實驗方法得到了減小罐體內料層阻力損失的技術途徑:儘可能增大罐體內燒結礦的空隙率，設置合理的冷卻段高度以及熱載體流量。豎罐爐直徑越大，冷卻風分布不均勻的趨勢就越大;冷卻段高度越高，氣體通過料層的阻力就越大，與之配套的風機全壓就越大。並且冷卻段高度還會影響出口熱空氣品質。因此需要對冷卻段的高度、豎罐爐的直徑、出口熱載體熱工參數進行綜合考慮。
3.2、 燒結礦流動問題
目前現有文獻對燒結礦在罐體內部的流動形式報道較少，其中顆粒的流動形式是影響床層利用效率的一個重要因素。一般移動床內顆粒的流動存在兩種形式:密相流和中心流。密相流是指容器內全部的物料以相同的速度向出口處運動，下料順序為先進先出，可以使下料的速度和密度保持均勻;中心流是指容器內物料向下卸出時僅有部分物料流動，在中心線出處物料移動的速度較大，而在邊壁處物料的移動速度較小，導致物料流動存在死區，這種現象還會導致後進去的物料先行排出，因此嚴重的中心流在設計時應加以避免。
鄭陽等[18]通過實驗研究了移動床內活性焦流動的情況，在有機玻璃上刻上尺度並按照規定尺寸進行裁剪，將玻璃豎直插入在料斗中，在玻璃其中一側填充活性焦，其中部分活性焦被染成紅色，將染色的活性焦間隔一定距離鋪在未染色的活性焦上形成若干水平層狀，活性焦流動形式通過有機玻璃清晰可見。當錐形下料斗傾角傾角為55。時，下料過程中底部靠近錐斗處標記的部分活性焦沒有排出，存在流動死區，判定其為中心流，錐角下料斗傾角為60。時，標記的活性焦均可以排出，流動形式為密相流，因此改變下料斗傾角會影響物料的流動形式。另外鄭陽等研究了內設內構建對物料流動的影響，內構建採用相互垂直的「人」字錐可以有效降低顆粒流動的臨界高度，並且可以改善顆粒流動的偏析情況。
曹俊等[19]藉助歐拉多相流三維數學模型模擬了不同內構建對移動床內顆粒流動的影響，人字形、三角形、八字形三種內構建都可以改善移動床內顆粒的流型，其中三角形內構件在模擬中的效果最佳;加入內構件可以改變與顆粒之間的摩擦力，當顆粒流過內構件時，中心速度會變得緩慢，速度梯度變小，而兩邊的顆粒速度反而增加，這就使床層中的中心流轉換為密相流。
陶賀等[20]採用多元顆粒模型對移動床內流動的橢球形顆粒進行了離散單元數值模擬，通過實驗與模擬相結合發現顆粒間的滑動摩擦係數對流型影響很大，滑動摩擦係數越小，顆粒在移動床內流動越接近整體流，摩擦係數越大，流動形式接近漏斗流。滾動摩擦係數對顆粒流型沒有影響。
4 、思考
4.1、 裝置結構研究有待深入
雖然有部分文獻已經涉及採用六口進料與排料，採用矩形罐體，但是大多數都是基於軟體模擬的結果，實驗數據結果相對較少，因此還需進行大量的實驗對布料，排料方式以及罐體的選擇進行深入研究。
4.2、 加強對燒結礦流動問題的研究
燒結礦在裝置內的流動形式對於之後的餘熱回收至關重要，要使燒結礦在裝置內部實現「整體流」，今後的研究還需集中在裝置結構以及裝置內壁光滑度等結構參數。目前文獻報道只是通過加入內構件的方法減小物料的偏析以及改變燒結礦的流動情況。但是還沒有文獻報道燒結礦如何在餘熱回收裝置內實現「整體流」，後續還需進行大量的實驗以及模擬來確定各個參數以實現燒結礦的「整體流」。
4.3、 燒結餘熱回收裝置有待創新
雖然豎式燒結餘熱回收裝置技術較為成熟，並應用於冶金領域進行餘熱回收取得了較好的效果，但是實際工業中料層高度會達到數十米，冷風經過料層的阻力會高到10KPa以上，風機耗電量較大，導致最終的淨髮電量降低，另外料層過高會導致空氣流動存在死區，造成憋機現象。在氣固傳熱方面，由於豎罐餘熱回收裝置存在兩次熱量交換過程，可能存在熱量損失。所以燒結餘熱回收裝置在原理，方法和新技術方面都有待突破。
5、 結束語
燒結餘熱回收裝置是極具前景的技術，隨著我國鋼鐵企業對餘熱回收利用越來越重視，裝置的結構以及參數、燒結礦在裝置內流動等問題對餘熱回收效率的影響也逐漸引起了重視，本研究綜述分析了國內燒結餘熱回收相關的研究成果，並進一步指出了目前研究中存在的不足和將來應該重點關注的研究方向。
參考文獻
[1]蔡九菊,王建軍,陳春霞,陸鍾武.鋼鐵企業餘熱資源的回收與利用[J] .鋼鐵, 2007(06)-1-7.
[2]蔡九菊,董輝,杜濤,徐春柏,周節旺,林科.燒結過程餘熱資源分級回收與梯級利用研究[J] .鋼鐵, 2011,46(04)88-92.
[3]張海松，李曉堂,謝國威，段少培.-種燒結餘熱利用新工藝研究[J] .熱能動力工程, 2017 ,32(03):125- 129+140.
[4]董輝，王愛華,渾勝,張琦,蔡九菊. 燒結過程餘熱資源回收利用技術進步與展望[J] .鋼鐵, 2014,49(09):1-9.
[5]董輝,李磊,劉文軍,王博,索延帥,蔡九菊.燒結礦餘熱豎罐式回收利用工藝流程[J] .中國冶金, 2012,22(01):6-11.
[6] Marcelo Risso Errera, Luiz Fernando Milanez. Thermodynamic analysis of a coke dry quenching unit[J]. Energy Conversion and Management,2000, 41(2):109-127.
[7]裴元東,趙志星,馬澤軍 ,汶.國外鐵礦粉燒結理論與技術的進展[A] .中國金屬學會、中國金屬學會煉鐵分會. 2010年全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵學術年會文集(上)[C] .中國金屬學會、中國金屬學會煉鐵分會中國金屬學會, 2009:8.
[8]陳士柏,賽慶毅.丁紅光,彭岩.燒結餘熱回收豎式爐內氣體流動和傳熱的數值模擬[J] .熱能動力工程, 2018,33(07):87-94.
[9]侯朝君,李雪松,齊超群. 燒結機豎罐式餘熱回收技術問題分析[J] .山東冶金, 2019,41(01):50-51.
[10]孫俊傑,張永傑,徐驥.燒結礦 豎冷爐內物料的偏析[J] .鋼鐵, 2020,55(03):16-22.
[11]畢傳光,孫俊傑.豎式冷卻回收燒結礦顯熱工藝在梅鋼的應用[J].燒結球團 , 2018,43(04):69-72.
[12]李明明.燒結礦餘熱回收豎罐結構及熱工參數研究[D].東北大學, 2014.
[13]馮軍勝,董輝，高建業,梁凱，劉靖宇.燒結礦餘熱回收豎罐內氣固傳熱過程數值分析[J] .中南大學學報(自然科學版)，2017. 4811):3100-3107.
[14]張朋剛. 立式燒結礦餘熱回收裝置內的氣體流動[D] . 東北大學, 2014.
[15]馮軍勝. 燒結礦餘熱回收豎罐內氣固傳熱過程及其應用研究[D] .東北大學, 2017.
[16]馮軍勝,董輝,曹崢,王愛華.燒結豎罐床層內的空隙率分布特性([] .中南大學學報(自然科學版) , 2016,47(01):8-13.
[17]馮軍勝,董輝,張琦,王愛華.燒結礦餘熱罐式回收利用關鍵技術問題[A] .中國金屬學會. 2014年全國煉鐵生產技術會暨煉鐵學術年會文集(下)(C] .中國金屬學會中國金屬學會, 2014:7.
[18]鄭陽,劉靜,肖友國,辛錫霞.活性焦顆粒在矩形移動床中流動特性的試驗研究[J] .化工設備與管道, 2005(06):17-19.
[19]曹俊，金保異，鍾文琪，王愷，陶敏,張勇，陶賀.帶有內構件錯流移動床顆粒流動特性的數值模擬[J] .機械工程學報, 2013,49(10):144-150.
[20]陶賀,金保異,鍾文琪.不同物性對橢球形顆粒在移動床中流動特性影響的模擬研究[J] .中國電機工程學報, 2011,31(05)-68-75.
作者單位：太原理工大學電氣與動力工程學院 四川川鍋鍋爐有限責任公司 清華大學能源與動力工程系
原文出處：劉丁赫,弋治軍,周托,孫瑞彬,李澤鵬.燒結礦餘熱回收裝置技術發展綜述[J].冶金設備,2021(04):61-65.
關鍵詞 :餘熱回收;氣體流動;空隙率;豎罐式回收;裝置結構;
Abstract： With the development of country's iron and steel enterprises,sintering waste heat recovery and utilization have made considerable progress,especially in waste heat power generation. Most domestic sintering plants have built circulating cooler waste heat recovery systems. The design is based on sinter cooling rather than waste heat recovery. The waste heat recovery efficiency is low. Based on this,a vertical tank recovery process of sintering waste heat has been proposed in China. For the vertical tank waste heat recovery device,the gas flow characteristics in the cooling section will have an important impact on the waste heat recovery efficiency of the device. This article combines the experiments and simulations described in a large number of documents. A literature review was conducted for the problems of gas flow in the device and the device structure and operating parameters. At present,there are still some parameters in the structure of the vertical tank waste heat recovery device that have not yet determined the best data,such as the choice of multi-port or single-port for the feed inlet,and round or square for the recovery device. This article summarizes the results of the predecessors,summarizes the development status of waste heat recovery,and puts forward its own opinions and suggestions based on the literature and industry practice,and lays the foundation for the future research.
Keyword： Waste heat recovery; Gas flow; Void fraction; Vertical tank recycling; Device structure;
1 、前言
燒結是指在高爐煉鐵之前，將粉狀含鐵原料配入適量的燃料，溶劑，加入適量的水在燒結機上燒結成塊的過程。中國鋼鐵企業燒結工序能耗約占鋼鐵企業總能耗的15%，是僅次於煉鐵的第二大耗能工序[1]。燒結過程中餘熱資源包括兩部分:燒結礦顯熱和燒結煙氣顯熱，分別占燒結工序總熱量的40%～45%和15%～20%[2]，燒結餘熱屬於中低品質的熱源，這部分熱量可以直接回收用於熱風燒結，熱風點火助燃以及燒結混合料乾燥，另外也可以用於產生蒸汽，熱水，低溫供暖。因此能夠充分利用這部分熱量對於鋼鐵企業的節能減排具有重要意義。在燒結過程中，燒結礦欠燒廢氣溫度較高，因此需要熱回收性能更好的裝置回收燒結餘熱。
當前燒結餘熱豎罐爐是燒結餘熱回收的主要裝置，相比環冷機餘熱回收工藝流程，該裝置具有餘熱回收效率較高、漏風率較低，粉塵排放量少等優點[3]。目前對於豎罐爐的研究主要集中在裝置結構，冷卻段內氣體的流動特性以及氣固傳熱特性，裝置結構參數會直接影響餘熱回收效率，因此需要對罐體的形狀，進料，排料口的個數，風帽的布置方式等進行優化。冷卻段內氣體的流動特性以及氣固傳熱的模型是影響燒結餘熱回收的主要影響因素，增強流體流動與優化換熱可以提高裝置餘熱回收效率。
本文主要綜述分析了燒結礦豎式餘熱回收裝置結構參數以及操作參數的確定、冷卻段內氣體流動問題和燒結礦流動問題，裝置結構參數的優化，具體闡述影響氣體流速因素的確定方法以及建立的各種傳熱模型等，並對今後的研究方向和研究方法提出觀點以及建議。
2、 裝置結構和操作參數研究現狀
2.1 、裝置結構參數
借鑑干法熄焦中干熄爐結構和工藝，同時參考高爐煉鐵的結構，國內提出了燒結礦餘熱豎罐式回收利用的結構與工藝。環冷機是在上下所固定的風箱中「穿行」，這種「臥式」結構導致冷卻系統的漏風不可避免，降低餘熱回收的效率，同時還會增加顆粒物排放污染環境，因此需要將「穿行」變為「靜止」，從根源上避免漏風的產生，將「臥式」變為「立式」，從根源上保證冷卻空氣的品質，從而有利於後續的餘熱回收利用[4,5,6]。豎式餘熱回收裝置幾乎可以實現燒結餘熱的全部回收，克服了傳統環冷機漏風嚴重以及只能回收溫度較高部分燒結礦餘熱弊端。改變了環冷機只限於燒結礦冷卻而不能高效回收餘熱的局面。同時燒結礦在豎罐爐的預存段內可以保溫，燒結礦的轉鼓強度、成品率以及冶金性能方面比傳統冷卻機有所提高，其次燒結礦在向下移動過程中，燒結礦受機械力作用，脆弱部分及生礦部分得以篩除，成品率得到提高，採用熱風冷卻後，燒結液相冷卻速度變緩，玻璃相相應減小，內應力得到釋放，會使燒結礦質量更加均勻[7]。
冷卻段是燒結餘熱豎罐裝置內熱量交換的重要場所，對裝置熱回收效率的提高起到決定性的作用。陳士柏等[8]藉助多物理場渦合軟體Comsol和Fluent模擬了不同氣固比以及不同冷卻段高度對豎式爐內氣體流動，換熱特性以及料層阻力特性的影響，在生產能力不變且燒結礦冷卻到同一效果時，在一定範圍之內，隨著冷卻段高度的增加，冷卻風溫度升高，燒結礦溫度降低，空氣出口攜帶的火用值先增加之後趨於平緩。實際工業運行過程中，冷卻段高度也不能過高，過高的料層會增大氣體穿過料層的阻力，導致鼓風機耗能增加，淨髮電量降低;另外料層過高還會使燒結礦互相擠壓、破碎，形成緻密堆積層，導致冷卻氣體無法穿過料層，出現風機憋壓的情況。在保持冷卻高度不變的情況下，床徑比的變化也會對燒結礦冷卻產生影響;當床徑比增大時，即豎式爐的直徑變小時，燒結礦出口溫度逐漸減小，冷卻風出口溫度逐漸增大。餘熱回收豎式爐的冷卻段高度和直徑大小對餘熱的回收起到關鍵作用，後續的研究可通過大量的實驗以及數值模擬來確定最佳冷卻段高度及直徑。
侯朝軍等[9]考慮到單進口進料會導致布料不均勻，採用六口布料的形式，其中六口布料又採用雙排三料口的布置方法，保證布料的均勻性。排料也採用六口排料的形式，其中六口排料也採用雙排三料口的布置方法。通過均勻布料與均勻排料，實現燒結礦在罐內均勻分布，減少局部偏析，提高燒結礦冷卻的均勻性。罐體底部結構為矩形，底部供氣裝置採用環形供風，錐斗出風形式，環形風道間均勻布置支撐件，罐體的周邊冷卻風通過十字風道向6個下料口供風，每個料口的中心風帽向料口四周錐斗供風，形成由罐體四周向料口中心再由料口中心向料口四周的供風形式，實現均勻冷卻。
孫俊傑等[10]採用離散單元法研究了緩衝倉與豎冷爐內燒結礦顆粒的偏析行為，通過在緩衝倉加入分料板可以緩解一次偏析，在加入分料板之後會使顆粒在中心位置處形成料坑，料坑中心對應兩個喉管的中心線，這種布置方式不僅緩解了一次偏析造成的不同喉管處粒度差異問題，還會使喉管處大顆粒增多，有利於提高中心配風的占比。另外在喉管處將原先底部的直通喉管一分為四，增加四個分流管。改造之前燒結礦在喉管下方會形成一個大的堆料，而改造之後會在分流管下部形成四個小的堆料，這種布置方式增加了料層的有效高度，在整個平面上小顆粒會分布的更加均勻，明顯改善二次偏析的問題。
畢傳光等[11]通過數值模擬的方法，並根據設計院提供的初步條件，對梅鋼豎式餘熱回收裝置的爐型進行了選擇。根據現有設計的進料方式，矩形豎爐入料口存在嚴重的燒結礦顆粒的偏析行為，後續可以增加進料口的個數(6個進料口)降低每個下料堆尖因為散料滾動造成的物料偏析，另外採用多排料口實現均勻排料抑制下料過程中物料粒度的進一步偏析。模擬結果表明矩形豎爐爐料運動偏析稍優於圓形截面豎爐;並且矩形豎爐壓力損失小於圓形豎爐。因此梅鋼選擇矩形豎爐作為最終的方案。國內有關豎式餘熱回收裝置形狀的文獻相對較少，也未進行深入的研究，不同形狀的裝置在餘熱回收過程中的利弊仍然需要通過大量的實驗及模擬進行確定，從而確定最佳爐型。
2.2 、裝置操作參數
裝置的操作參數對豎式餘熱回收裝置的餘熱回收效率產生重要的影響。燒結礦入口溫度，冷卻風進口溫度以及冷卻風量都會影響冷卻段內氣固傳熱特性。當燒結礦入口溫度升高，與冷卻空氣溫度差增大，導致傳熱量增加。同理冷卻空氣入口溫度減小，也會增加氣固之間的換熱量。影響換熱的操作參數還有氣固比、燒結礦粒徑、冷卻風流速等，基於以上操作參數進行優化對提高餘熱回收效率具有重要意義。
李明明[12]通過實驗研究了單一參數(進口風溫，冷卻風表觀流速等)對豎罐內氣固傳熱的影響。在不同冷卻段高度下，冷卻風表觀流速越大，燒結礦出口溫度越小，換熱效果越好，原因是隨著氣體流速增大，燒結礦料層中受到氣體擾動的程度不斷增強，換熱表面的顆粒層更新趨於頻繁，換熱係數迅速增加導致換熱量增加，但是燒結礦出口溫度減小的幅度隨著表觀流速的等大趨於平緩。同一表觀流速下，冷卻段高度越高，燒結礦出口溫度越低，可以更好保證出口燒結礦溫度達到工藝要求;並且在同一表觀流速下，進口風溫度越高，燒結礦出口溫度越高，冷卻風出口處溫度也越高，出口處火用值也越大，在其他條件不變的情況下，冷卻風進口溫度越小越有利於燒結礦冷卻，但是此時冷卻風出口處溫度降低，火用值減小，因此在確定冷卻風進口溫度時還需綜合考慮火用值的變化情況。
當其他實驗參數不變時，床層內燒結礦粒徑也會對氣固傳熱效果產生影響，床層內燒結礦粒徑越小，氣固間的導熱熱阻就會減小，氣固換熱面積增大，單位時間內氣固換熱量就會增大，從而造成床層內氣固傳熱係數增大。
馮軍勝等[13]通過實驗得到燒結礦顆粒直徑越大，出口空氣溫度和床層內燒結礦溫度越低，並且燒結礦冷卻至常溫的時間隨隨粒徑增大而減小。當床層內燒結礦高度一定時，較大粒徑燒結礦會導致床層空隙率增加，床層空隙率的增加又會導致顆粒堆密度減小，床層內燒結礦熱容量就會減少，燒結礦冷卻速度加快，從而縮短燒結礦到達常溫狀態的時間。
3 、研究現狀
3.1 、冷卻氣體流動問題
冷卻空氣流經燒結礦床層的流動狀態會直接影響豎式餘熱回收站裝置餘熱回收的效率，影響冷卻空氣流動的因素很多，例如床層空隙率、冷卻空氣表觀流速、燒結礦在床層內是否分布均勻等。其中床層空隙率是最重要的一個影響因素，因為床層空隙率與其他各個因素都有不同的聯繫，只有精確測量空隙率的大小才更有利於其他研究。
張朋剛[14]通過實驗得方法先後嘗試了斷面剖分法、空氣流速測量計算法、斷面圖像分析法測量床層的空隙率，斷面剖分法由於環氧樹脂流動性差不能進行有效填充，並且在斷面切割過程中由於溫度過高出現碳化現象，導致剖分後的斷面空隙率無法做下一步處理測試;空氣流速測量計算方法由於皮托管位置不好選擇，不能正常讀數，導致測量出來的空隙率精度較差;斷面圖像分析法目前作為散料床測量空隙率的新方法，運用了高清拍照技術、斷面顯影技術以及圖像處理技術，可以比較準確的測量料層內不同高度處的空隙率分布。張朋剛運用斷面圖像分析法精確測量了床層徑向空隙率分布，並且研究了邊緣效應對於床層徑向空隙率的影響，對於不規則的燒結礦顆粒，近壁區域徑向空隙率受邊緣效應影響較大，隨著環徑比增加，徑向空隙率開始趨向於穩定;當床徑比小於10，空隙率振蕩幅度較大，邊緣效應對空隙率的影響十分明顯，床徑比大於10，邊緣效應對於徑向空隙率的影響較小，可以忽略。
馮軍勝[15]通過實驗研究得出影響燒結餘熱豎罐爐內氣體流動的主要因素有燒結礦粒徑，床層空隙率以及冷卻氣體表觀流速。其中單位料層壓力降與氣體表觀流速呈現二次方關係，在燒結礦粒徑一定的情況下，氣體表觀流速越大，空氣穿過料層單位高度壓力降就越大，氣體表觀流速一定的情況下，顆粒直徑的增大會直接導致床層空隙率的增大，單位料層壓力降隨顆粒直徑的增大呈現出指數衰減的關係。
同時馮軍勝等[16,17]通過實驗方法得到了減小罐體內料層阻力損失的技術途徑:儘可能增大罐體內燒結礦的空隙率，設置合理的冷卻段高度以及熱載體流量。豎罐爐直徑越大，冷卻風分布不均勻的趨勢就越大;冷卻段高度越高，氣體通過料層的阻力就越大，與之配套的風機全壓就越大。並且冷卻段高度還會影響出口熱空氣品質。因此需要對冷卻段的高度、豎罐爐的直徑、出口熱載體熱工參數進行綜合考慮。
3.2、 燒結礦流動問題
目前現有文獻對燒結礦在罐體內部的流動形式報道較少，其中顆粒的流動形式是影響床層利用效率的一個重要因素。一般移動床內顆粒的流動存在兩種形式:密相流和中心流。密相流是指容器內全部的物料以相同的速度向出口處運動，下料順序為先進先出，可以使下料的速度和密度保持均勻;中心流是指容器內物料向下卸出時僅有部分物料流動，在中心線出處物料移動的速度較大，而在邊壁處物料的移動速度較小，導致物料流動存在死區，這種現象還會導致後進去的物料先行排出，因此嚴重的中心流在設計時應加以避免。
鄭陽等[18]通過實驗研究了移動床內活性焦流動的情況，在有機玻璃上刻上尺度並按照規定尺寸進行裁剪，將玻璃豎直插入在料斗中，在玻璃其中一側填充活性焦，其中部分活性焦被染成紅色，將染色的活性焦間隔一定距離鋪在未染色的活性焦上形成若干水平層狀，活性焦流動形式通過有機玻璃清晰可見。當錐形下料斗傾角傾角為55。時，下料過程中底部靠近錐斗處標記的部分活性焦沒有排出，存在流動死區，判定其為中心流，錐角下料斗傾角為60。時，標記的活性焦均可以排出，流動形式為密相流，因此改變下料斗傾角會影響物料的流動形式。另外鄭陽等研究了內設內構建對物料流動的影響，內構建採用相互垂直的「人」字錐可以有效降低顆粒流動的臨界高度，並且可以改善顆粒流動的偏析情況。
曹俊等[19]藉助歐拉多相流三維數學模型模擬了不同內構建對移動床內顆粒流動的影響，人字形、三角形、八字形三種內構建都可以改善移動床內顆粒的流型，其中三角形內構件在模擬中的效果最佳;加入內構件可以改變與顆粒之間的摩擦力，當顆粒流過內構件時，中心速度會變得緩慢，速度梯度變小，而兩邊的顆粒速度反而增加，這就使床層中的中心流轉換為密相流。
陶賀等[20]採用多元顆粒模型對移動床內流動的橢球形顆粒進行了離散單元數值模擬，通過實驗與模擬相結合發現顆粒間的滑動摩擦係數對流型影響很大，滑動摩擦係數越小，顆粒在移動床內流動越接近整體流，摩擦係數越大，流動形式接近漏斗流。滾動摩擦係數對顆粒流型沒有影響。
4 、思考
4.1、 裝置結構研究有待深入
雖然有部分文獻已經涉及採用六口進料與排料，採用矩形罐體，但是大多數都是基於軟體模擬的結果，實驗數據結果相對較少，因此還需進行大量的實驗對布料，排料方式以及罐體的選擇進行深入研究。
4.2、 加強對燒結礦流動問題的研究
燒結礦在裝置內的流動形式對於之後的餘熱回收至關重要，要使燒結礦在裝置內部實現「整體流」，今後的研究還需集中在裝置結構以及裝置內壁光滑度等結構參數。目前文獻報道只是通過加入內構件的方法減小物料的偏析以及改變燒結礦的流動情況。但是還沒有文獻報道燒結礦如何在餘熱回收裝置內實現「整體流」，後續還需進行大量的實驗以及模擬來確定各個參數以實現燒結礦的「整體流」。
4.3、 燒結餘熱回收裝置有待創新
雖然豎式燒結餘熱回收裝置技術較為成熟，並應用於冶金領域進行餘熱回收取得了較好的效果，但是實際工業中料層高度會達到數十米，冷風經過料層的阻力會高到10KPa以上，風機耗電量較大，導致最終的淨髮電量降低，另外料層過高會導致空氣流動存在死區，造成憋機現象。在氣固傳熱方面，由於豎罐餘熱回收裝置存在兩次熱量交換過程，可能存在熱量損失。所以燒結餘熱回收裝置在原理，方法和新技術方面都有待突破。
5、 結束語
燒結餘熱回收裝置是極具前景的技術，隨著我國鋼鐵企業對餘熱回收利用越來越重視，裝置的結構以及參數、燒結礦在裝置內流動等問題對餘熱回收效率的影響也逐漸引起了重視，本研究綜述分析了國內燒結餘熱回收相關的研究成果，並進一步指出了目前研究中存在的不足和將來應該重點關注的研究方向。
參考文獻
[1]蔡九菊,王建軍,陳春霞,陸鍾武.鋼鐵企業餘熱資源的回收與利用[J] .鋼鐵, 2007(06)-1-7.
[2]蔡九菊,董輝,杜濤,徐春柏,周節旺,林科.燒結過程餘熱資源分級回收與梯級利用研究[J] .鋼鐵, 2011,46(04)88-92.
[3]張海松，李曉堂,謝國威，段少培.-種燒結餘熱利用新工藝研究[J] .熱能動力工程, 2017 ,32(03):125- 129+140.
[4]董輝，王愛華,渾勝,張琦,蔡九菊. 燒結過程餘熱資源回收利用技術進步與展望[J] .鋼鐵, 2014,49(09):1-9.
[5]董輝,李磊,劉文軍,王博,索延帥,蔡九菊.燒結礦餘熱豎罐式回收利用工藝流程[J] .中國冶金, 2012,22(01):6-11.
[6] Marcelo Risso Errera, Luiz Fernando Milanez. Thermodynamic analysis of a coke dry quenching unit[J]. Energy Conversion and Management,2000, 41(2):109-127.
[7]裴元東,趙志星,馬澤軍 ,汶.國外鐵礦粉燒結理論與技術的進展[A] .中國金屬學會、中國金屬學會煉鐵分會. 2010年全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵學術年會文集(上)[C] .中國金屬學會、中國金屬學會煉鐵分會中國金屬學會, 2009:8.
[8]陳士柏,賽慶毅.丁紅光,彭岩.燒結餘熱回收豎式爐內氣體流動和傳熱的數值模擬[J] .熱能動力工程, 2018,33(07):87-94.
[9]侯朝君,李雪松,齊超群. 燒結機豎罐式餘熱回收技術問題分析[J] .山東冶金, 2019,41(01):50-51.
[10]孫俊傑,張永傑,徐驥.燒結礦 豎冷爐內物料的偏析[J] .鋼鐵, 2020,55(03):16-22.
[11]畢傳光,孫俊傑.豎式冷卻回收燒結礦顯熱工藝在梅鋼的應用[J].燒結球團 , 2018,43(04):69-72.
[12]李明明.燒結礦餘熱回收豎罐結構及熱工參數研究[D].東北大學, 2014.
[13]馮軍勝,董輝，高建業,梁凱，劉靖宇.燒結礦餘熱回收豎罐內氣固傳熱過程數值分析[J] .中南大學學報(自然科學版)，2017. 4811):3100-3107.
[14]張朋剛. 立式燒結礦餘熱回收裝置內的氣體流動[D] . 東北大學, 2014.
[15]馮軍勝. 燒結礦餘熱回收豎罐內氣固傳熱過程及其應用研究[D] .東北大學, 2017.
[16]馮軍勝,董輝,曹崢,王愛華.燒結豎罐床層內的空隙率分布特性([] .中南大學學報(自然科學版) , 2016,47(01):8-13.
[17]馮軍勝,董輝,張琦,王愛華.燒結礦餘熱罐式回收利用關鍵技術問題[A] .中國金屬學會. 2014年全國煉鐵生產技術會暨煉鐵學術年會文集(下)(C] .中國金屬學會中國金屬學會, 2014:7.
[18]鄭陽,劉靜,肖友國,辛錫霞.活性焦顆粒在矩形移動床中流動特性的試驗研究[J] .化工設備與管道, 2005(06):17-19.
[19]曹俊，金保異，鍾文琪，王愷，陶敏,張勇，陶賀.帶有內構件錯流移動床顆粒流動特性的數值模擬[J] .機械工程學報, 2013,49(10):144-150.
[20]陶賀,金保異,鍾文琪.不同物性對橢球形顆粒在移動床中流動特性影響的模擬研究[J] .中國電機工程學報, 2011,31(05)-68-75.
作者單位：太原理工大學電氣與動力工程學院 四川川鍋鍋爐有限責任公司 清華大學能源與動力工程系
原文出處：劉丁赫,弋治軍,周托,孫瑞彬,李澤鵬.燒結礦餘熱回收裝置技術發展綜述[J].冶金設備,2021(04):61-65.
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