高炉蓄热缓冲器传热模型及缓冲能力研究

毛华芳，田国庆，潘 宏，刘孝清，魏光建

（中冶南方工程技术有限公司动力事业部，湖北武汉，430223）

高炉蓄热缓冲器传热模型及缓冲能力研究

毛华芳，田国庆，潘 宏，刘孝清，魏光建

（中冶南方工程技术有限公司动力事业部，湖北武汉，430223）

以武钢新3＃高炉引进的蓄热缓冲器为研究对象，建立其二维传热模型，运用该模型研究蓄热缓冲器用于布袋除尘工艺中异常工况下的缓冲能力。模型计算结果及实测数据对比分析表明，该蓄热缓冲器满足布袋除尘工艺缓冲要求。

蓄热缓冲器；传热；建模；缓冲能力

武汉钢铁（集团）公司对原引进的新3＃高炉煤气干式电除尘技术进行改造，在保留原配套引进的蓄热缓冲器［1］的基础上将干式电除尘器更换为布袋式除尘器。为弄清该蓄热缓冲器的缓冲效果，本文以该蓄热缓冲器为研究对象，建立二维传热模型，对蓄热缓冲器用于布袋除尘工艺的缓冲能力及效果进行研究。

1 基本假设及简化物理模型

对蓄热缓冲器假设如下：①蓄热室同一高度截面上，各孔煤气的流量、流速及换热量相同；②格子砖及煤气的热物性仅为温度的函数；③忽略不同格子砖的热物性差异；④忽略砖体间的接触热阻；⑤忽略蓄热缓冲器外部的热损失。基于以上假设，各孔气流及传热情况相似，相邻孔之间视作绝热，任一格孔与其周围砖体的传热情况均可视同于蓄热器内的传热情况。取对称尺寸的正六边形格子砖为换热单元，将正六边形空心柱体简化为相同内径和当量外径的空心圆柱体，蓄热室换热通道简化物理模型如图1所示。

简化格子砖当量外径为

式中：As为单个格子砖的端面积（包括格子砖内孔），m2；Ns为单个格子砖有效通孔数。

2 传热模型

2.1 传热分析

由重力除尘器排出的半净煤气中含有大量的CO2和H2O，其温度较高，具有较强的热辐射能力［2］，故蓄热缓冲器通道内同时存在辐射换热和对流换热［3－4］。

图1 蓄热室换热通道简化物理模型Fig.1 Simplified physical model of regenerator channels

2.1.1 耐火砖格孔内煤气对流换热系数hcv

式中：C为格孔表面特征系数，对于表面平滑的格子砖，C值取1；vg为格孔内煤气的流速，m／s；ds为格子砖通孔内径，m；Tg为蓄热器通道内煤气温度，K。

根据不同结构尺寸及煤气量，蓄热体格孔内的气体流动状态用雷诺数描述：

式中：ρg为煤气的密度，kg／m3；μ为气体动力黏度（其是温度的函数［4］），由于高炉煤气为混合气体，且压力不高，其动力黏度可用下式计算：

式中：Xi为各组分的体积分数；M1为各组分的摩尔质量，g／mol；μi为各组分在此工况下的动力黏度，Pa·s。

2.1.2 煤气与蓄热体之间的辐射换热系数hr

式中：Ts为蓄热体的温度，K；ε′s和εg分别为蓄热体和煤气的有效发射率；αg为煤气的有效吸收率。其中：

式中：L为煤气辐射的平均射线行程，L＝0.95ds；P为气体分压，Pa。

2.2 传热模型

蓄热缓冲器内部的传热主要包括3部分：煤气与格孔内表面的对流换热，煤气与格孔内表面的辐射换热，蓄热体自身的导热。

2.2.1 格子砖导热模型

根据上述假设，蓄热体为轴对称结构，其导热模型可简化为轴向和径向二维传热模型，且格子砖不含热内源，故蓄热体非稳态导热方程简化为

为煤气与格孔内壁的综合换热系数，h＝hcv＋hr，用于蓄热体内部时，qh＝0；ro为格孔的半径，m。

2.2.2 格孔内煤气传热模型

由于格孔内径较小，煤气流速较大，且煤气中存在的颗粒杂质对气流有扰动作用，故不考虑格孔流体的径向温差，仅考虑轴向的温度分布。根据传热能量控制方程及粗糙管壁的换热方程，煤气在格孔内的换热控制方程为

混合气体的导热系数为

不考虑煤气压力的变化，调用Refprop数据库按照煤气成分拟合，煤气的定压比热容cp，g和密度ρp，g分别为

蓄热体的比热容cps和导热系数λs可表示为蓄热体平均温度的一次线性函数（不考虑相变）［3］：

2.2.3 模型定解条件

为了较全面模拟蓄热缓冲器的工作状况，需对蓄热缓冲器从冷启动开始至进口温度波动异常工况进行模拟。本文用均匀初始温度进行模拟计算，即：Ts（z，r）＝Ts0，其中，Ts0为蓄热体初始温度（可取室温）。由于蓄热体的高度远大于其端面直径，所以蓄热体的顶部截面和底部截面及外壁处均按绝热边界条件处理，即：

对进口温度做定值处理，即

式中：Tgl为高炉正常工况时进口温度；Tgh为高炉异常工况时进口温度。

3 蓄热缓冲器缓冲能力分析

蓄热缓冲器结构参数如表1所示，计算用高炉煤气参数如表2所示。以表1、表2中参数为基础，将蓄热器结构尺寸、煤气及蓄热体的物性参数等代入上述模型，用控制容积法离散，在空间和时间层上作gauss－saidel迭代，即可求得蓄热缓冲器内诸节点所有时刻的温度及出口温度的变化。

表1 蓄热缓冲器结构参数Table 1 Structural parameters of thermal storage buffer

表2 计算用高炉煤气参数（NKK设计值）Table 2 Parameters of blast furnace used in calculation

图2 高温异常工况下蓄热缓冲器出口温度变化Fig.2 Temperature change of outlet with the inlet under abnormal high temperature conditions

高温异常工况下蓄热缓冲器出口温度随进口温度变化曲线如图2所示。从图2中可看出，蓄热缓冲器刚启动时，出口温度为室温，最初几分钟内低于100℃，出现悬料工况时，蓄热缓冲器进口温度从180℃迅速升至1 000℃，并持续5 min，此时蓄热缓冲器出口温度从180℃升至256.9℃，保证了布袋除尘器进口温度在规定的许用温度范围内。分析正常工况下炉顶煤气温度连续走高异常情况，当蓄热缓冲器进口温度升至650℃（持续6 min）时，出口温度为268.55℃，该值高于进口温度为1 000℃时的出口温度值。这是由于此时格孔内的辐射换热明显加剧，蓄热缓冲器轴向温差增大，此时若间隔15 min后再升至650℃（持续10 min），则蓄热缓冲器出口温度最高为332.5℃，该值基本满足布袋除尘工艺要求。

高低温异常工况下蓄热缓冲器出口温度随进口温度变化曲线如图3所示。从图3中可看出，当蓄热缓冲器进口温度在24 min内连续两次从180℃升至650℃（持续6 min）时，蓄热缓冲器出口温度最高为309.6℃，此时进口温度若迅速降至60℃（持续6 min），则出口温度仍高达219.97℃。当蓄热缓冲器进口温度在20 min内连续两次降至60℃（分别持续8 min和6 min）时，其出口温度最低为112.95℃，仍满足布袋除尘工艺要求。

图3 高低温异常工况下蓄热缓冲器出口温度变化Fig.3 Temperature change of outlet with the inlet under abnormal temperature conditions

图4为武钢新3＃高炉蓄热缓冲器（某日）进出口温度波动实测曲线。从图4中可看出，高炉正常运行期间，蓄热缓冲器进口温度随高炉布料情况呈周期性小幅波动，而通过蓄热缓冲器后的出口温度则为一条近似水平的曲线，温度缓冲效果非常明显。

图4 蓄热缓冲器进出口温度波动实测曲线Fig.4 Temperature fluctutation curves at the import and export of heat sturage buffer

为验证计算的可靠性，对武钢新3＃高炉蓄热缓冲器进口温度实测值进行简化，用NKK数据代入模型进行模拟计算，炉顶温度异常情况模拟曲线如图5所示。从图5中可看出，高炉炉顶煤气温度出现了异常波动，进口温度由240℃瞬间升至480℃，20 min后再次升至577℃，前后持续近30 min。计算结果表明，蓄热缓冲器出口温度瞬间最高达329℃，而实测值最高为348℃，误差仅为5.4%，其中高于260℃的时间与实测结果基本一致，长达60 min左右。

图5 炉顶温度异常情况模拟曲线Fig.5 Top temperature simulation curves at abnormal situation

4 结语

武钢新3＃高炉NKK蓄热缓冲器对于高炉炉顶煤气温度波动起到了缓冲作用，避免了因煤气放散或洒水降温引起的能量损耗及其给布袋除尘系统带来的危害。对缓冲器进行合理的尺寸设计，可使进入布袋式除尘设备的煤气温度波动范围大幅减小。该蓄热缓冲器满足布袋式除尘工艺缓冲要求。

［1］ 李东迈.高炉煤气干式电除尘技术浅谈［J］.冶金环境环保，2000（5）：34－36.

［2］ 卡里尔E E，陈熙.燃烧室与工业炉的模拟［M］.周晓青，译.北京：科学出版社，1987.

［3］ 项钟庸，郭庆弟.蓄热式热风炉［M］.北京：冶金工业出版社，1988：185－197.

［4］ David R Lide.Handbook of chemistry and physics［M］.CRC Press，2010.

［5］ 杨世铭.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1998：253.

［6］ 天津大学基本有机化工教研室.基本有机化学工程［M］.北京：人民教育出版社，1978.

Two－dimensional heat transfer modeling and buffering capacity of thermal storage buffer in the blast furnace

Mao Huafang，Tian Guoqing，Pan Hong，Liu Xiaoqing，Wei Guangjian
（Power Department，WISDRI Engineering and Research Incorporation Ltd，Wuhan 430223，China）

This paper presents a two－dimensional heat transfer model for the thermal storage buffer imported from Japan and installed in the new 3＃Blast Furnace of Wuhan Iron and Steel Corporation.Aided by the model，it studies the buffering capacity of the thermal storage buffer when used in the bag filter in abnormal conditions.Comparison of the calculation results by the model and the measured data shows that the thermal storage buffer meets the requirements of the bag filter.

thermal storage buffer；heat transfer；modeling；buffering capacity

TF578.3

A

1674－3644（2012）04－0264－04

［责任编辑 彭金旺］

2011－12－01

毛华芳（1984－），男，中冶南方工程技术有限公司助理工程师.E－mail：16064＠wisdri.com