烧结余热回收竖罐内冷却段高度与冷却风流量解析研究

高建业，冯军胜，刘靖宇，李明明，董辉

（1.东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁沈阳110819；2．沈阳东大三建工业炉制造有限公司，辽宁沈阳110102）

烧结余热回收竖罐内冷却段高度与冷却风流量解析研究

高建业1，冯军胜1，刘靖宇1，李明明2，董辉1

（1.东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁沈阳110819；2．沈阳东大三建工业炉制造有限公司，辽宁沈阳110102）

烧结余热罐式回收是烧结矿余热高效回收利用的变革性工艺，其核心问题之一就是冷却段高度与冷却风流量的设置。本文建立了竖罐内气固传热的解析数学模型，研究了竖罐冷却段高度和冷却风流量对竖罐内气固传热过程的影响，在此基础上，采用加权综合评分法对出口冷风携带值和料层阻力损失两项指标进行量化处理，得出了竖罐适宜的结构和操作参数组合。以国内某360m2烧结机对应的余热回收竖罐为例，竖罐适宜热工参数为：冷却段高度8m，冷却风流量120 kg/s。

烧结矿；余热回收；竖罐；气固传热；热工参数

烧结矿余热竖罐式回收是针对传统基于环冷机模式余热回收不足提出的一种高效回收利用工艺技术[1-3]。该技术是否可行，主要基于两个问题：罐体料层内气固传热问题和料层阻力特性及气流分布问题。气固传热特性，决定了烧结矿的冷却效果，竖罐出口热载体（即空气）的品质以及余热回收率；气流阻力特性，决定了气体流经料层的阻力大小以及罐式回收的经济性。关于这两个问题，笔者连同研究小组成员，开展了初步的研究[4-7]。冯军胜等[4]以自制气固传热实验装置为操作平台，研究了烧结矿颗粒填充床内的气固传热特性，并基于量纲分析并结合实验测量数据拟合得出了能够描述烧结矿颗粒床层内气固传热特性的实验关联式。杨益伟[5]采用量纲分析构造反映料层阻力特性的经验关联式，利用回归分析确定经验关联式的系数和指数。冯军胜等[6]采用对Ergun型方程无量纲化的方法对气体通过烧结矿床层的流态进行了研究，考察气体表观流速、烧结矿颗粒直径和床层空隙率对床层内气体压力降的影响，进而探讨床层内临界颗粒雷诺数随颗粒直径的变化规律。董辉等[7]将对流换热器和填充床中传递系数的概念引入到竖罐式余热回收工艺中，推导出烧结移动床层传递系数公式；在自制的气固传热实验装置上，测定不同工况下罐体料层内气固传热过程的相关数据，研究冷却风量对烧结床层传递系数的影响。

本文在如上机理性问题的基础上，开展技术问题的讨论，即：在课题组已有研究基础上，建立竖罐气固传热解析数学模型，初步探讨竖罐主要热工参数中冷却段高度与冷却风流量设置，利用多指标正交试验法进行参数优化，采用加权综合评分法对出口冷却风携带值和料层阻力损失两项指标进行量化处理，藉此确定罐体适宜的冷却段高度与冷却风流量参数，最后以国内某大型烧结机为例进行例证分析；本研究结合数值计算研究为后续的技术工程实施奠定理论基础。

1 竖罐内气固传热解析数学模型的建立

烧结热矿从竖罐顶部进入，随后不断地向下运动，在竖罐冷却段与上行的冷却风进行热量交换，被冷却后经排料装置从罐体底部排出；冷却风从竖罐的底部鼓入，经布风装置均匀布风后向上运行，在竖罐冷却段换热后，带走烧结矿携带的大量显热，然后进入环形风道，经除尘后进入余热锅炉系统，竖罐内气固传热过程如图1所示。

图1 罐体内气固热交换示意图

竖罐内气固对流换热的基本公式为传热方程式及热平衡方程[8]：

式中：Q1—烧结矿和气体之间换热量，W；h—气固间综合换热系数，W/(m2·K)；A—烧结矿层颗粒总换热面积，m2；Δtm—气固间对数平均温差，K;dp－未筛分颗粒当量直径，m；ε－床层空隙率；λ—气体热导率，W/（m·K）；Q2—烧结矿和气体之间换热量，W；cs、cg—烧结矿和冷却风比热，J/（kg·K）；qs、qg—烧结矿和冷却风质量流量，kg/s；ts，in、tg，in—烧结矿和冷却风进口温度，K；ts，out、tg，out—烧结矿和冷却风出口温度，K。

2 竖罐式回收工艺两个关键问题的评价指标

评价烧结余热回收很重要的指标为出口风温和流量，可以用出口冷风所携带的值来综合考虑。，即可用能，是指能量在理论上能够可逆地转换为功的最大能量。它作为一种评价能量价值的参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量的“价值”。式中：Eg，out为出口冷却风的值，kW；hg，out为出口冷却风比焓，kJ/kg；h0为环境温度下空气的比焓，kJ/ kg；T0为环境温度，K；Tg，out为冷却风出口温度，K。

竖罐余热回收是否可行不仅取决于烧结料层内的气固传热特性，还取决于烧结矿料层阻力特性，因此，料层阻力损失也是很重要的一项指标。竖罐内料层压降的实验关联式为[9]：

式中：ΔP为床层压降，Pa；L为床层高度，m；D为罐体直径，m；μ为气体动力黏度，kg/（m·s）；ρg为气流密度，kg/m3；u0为气流通过料层的平均表观流速，m/ s；Фs为形状因子。

3 360m2烧结机对应竖罐适宜热工参数的讨论

竖罐作为烧结矿余热罐式回收工艺的关键设备，其结构及操作参数决定着在冷却罐体内热烧结矿和冷却风的换热效果，因此，在研究竖罐单一热工参数对竖罐内气固传热过程的影响的基础上，通过对冷却风流量、竖罐冷却段高度、冷却段直径和进口风温4个热工参数进行整合，综合考虑出口冷却风携带的值、料层阻力损失两项指标，采用多指标正交试验法[10]进行参数优化，从而确定竖罐适宜热工参数组合及冷却工况。

实际生产设计时，需根据烧结机产量的不同，对应设置单罐或多罐用于回收烧结余热，具体的设置要综合技术先进性与经济可行性原则来确定。本文以国内某360m2烧结机为例，并基于单罐假设前提下，讨论竖罐冷却段高度和冷却风流量参数的设置。烧结机生产条件：390万t/a；作业率：92%；返矿率：12%。对应单罐竖罐处理量为153 kg/s（即550.8 t/ h）。主要工艺参数如表1所示[11]。

表1 主要工艺参数和烧结矿参数

3.1 单一参数对竖罐内气固传热过程的影响

在课题组研究基础上[11]，选取竖罐冷却段的高度范围为5～8m。图2～图5分别为在4种冷却段高度下，即5m，6 m，7 m，8 m时出口冷却风所携带的值、料层阻力损失、烧结矿出口温度和冷却风出口温度随冷却风质量流量的变化曲线。

如图2所示，在4种不同冷却段高度下，增加冷却风流量，出口冷却风携带的值先增大后减小，并均在130 kg/s附近达到峰值，从图中曲线可看出，冷却风表观流速在120～160 kg/s范围内时值较大；冷却风质量流量一定的情况下，增加冷却段高度，对应竖罐出口冷却风携带的值随之增大。

从图3可以看出，在4种冷却段高度下，料层阻力损失随冷却风质量流量的变化情况一致，都逐渐增大，且增大的斜率也逐渐变大；冷却风质量流量一定的情况下，增加冷却段高度，料层阻力损失会越大，会导致风机耗电增加，且对应冷却段耐火材料的用量也会随之增加，不利于降低投资成本，因此冷却段高度不能无限增加。

图3 不同冷却段高度下料层阻力损失与冷却风质量流量的变化曲线

如图4所示，冷却段高度不变时，增大冷却风流量，烧结矿出口温度逐渐降低。当冷却风流量大于150 kg/s时，烧结矿出口温度减小趋势平缓，接近于进口风温。增大冷却段高度，烧结矿出口温度降低，能更好的保证出矿温度达到工艺要求。因为冷却段高度越高，烧结矿在竖罐内停留的时间越长，换热越充分，烧结矿出口温度越低。

图4 不同冷却段高度下烧结矿出口温度与冷却风质量流量的变化曲线

如图5所示，冷却段高度一定时，冷却风出口温度均随着冷却风流量的增大而减小，且减小的趋势先变大随后又变小；一定冷却风流量条件下，冷却段高度设置越高，冷却风出口温度越高，回收的热风品质也越高。通过计算可以得出，当冷却段高度在5～8 m范围内时，冷却风流量小于150 kg/s时可使冷却风出口温度达到500℃以上。

图5 不同冷却段高度下冷却风出口温度与冷却风质量流量的变化曲线图

3.2 正交表的建立

通过研究不同冷却段高度对竖罐内气固传热的影响可知，在综合考虑出口冷却风所携带的值、料层阻力损失随冷却风质量流量变化情况下，若使出口冷风所携带的较大，料层阻力损失较小，冷却风表观流速要在120～150 kg/s的范围内。通过罐体的烧结矿处理量、冷却段高度、烧结矿下移速度与冷却段直径的关系可以得出冷却段直径范围为7～10 m。

由此可以建立正交试验因子水平表，见表2。

表2 正交试验因子水平表

根据竖罐内气固传热计算过程，可以求出16组试验出口矿温、出口风温和试验指标出口冷却风携带的值和料层阻力损失，见表3。

3.3 指标量化处理

在试验指标中，有正向指标和负向指标之分。正向指标即指标值越大越好，负向指标即指标值越小越好。对于第i个正向指标Yi，第t次试验所得的指标值记为Yti（t=1、2、3、…、n），其中最小值记作Yi（min），最大值记为Yi（max），则极差为Ri=Yi（max）-Yi（min）。

表3 正交试验结果

对于正向指标Yi，第t次试验值Yti的极差化结果为Yti’：

对于负向指标Yj，第t次试验值Ytj的极差化结果为Ytj’：

4 结论

（1）竖罐冷却段高度设置越高，出口冷却风风温越高，携带的值也越大，同时烧结矿出口温度越低，可以更好地保证出矿温度达到工艺要求，但随着冷却段设置高度的增加，料层阻力损失明显变大，风机耗电也随之增加，因此冷却段高度不能无限增加。增大冷却风流量，烧结矿和冷却风出口出口温度均降低，冷却风携带的值呈先增大后减小趋势，料层阻力损失逐渐变大。

表4 正交试验指标加权综合值

（2）以国内某360 m2烧结机为例，如果采用一个竖罐，则竖罐内适宜的热工参数为：冷却风质量流量为120 kg/s，冷却段高度为8 m，气固水当量比为0.99。

[1]蔡九菊，董辉．烧结过程余热资源的竖罐式回收与利用方法及其装置：200910187381.8[P]．2010-02-04．

[2]董辉，李磊，蔡九菊，等．烧结矿余热竖罐式回收利用工艺流程[J]．中国冶金，2012，22（1）：6-11．

[3]冯军胜，董辉，王爱华，等．烧结余热罐式回收系统及其关键问题[J]．钢铁研究学报，2015，27（6）：7-11．

[4]冯军胜，董辉，刘靖宇，等．烧结矿余热回收竖罐内气固传热特性[J]．化工学报，2015，66(11)：4418-4423．

[5]杨益伟．烧结余热回收竖罐内床层阻力特性实验研究[D]．沈阳：东北大学，2013．

[6]冯军胜，董辉，高建业，等．烧结矿余热回收竖罐内气体流态的实验研究[J]．东北大学学报：自然科学版，2016，37（4）：517-521．

[7]董辉，冯军胜，李磊，等．冷却风量影响烧结余热竖罐回收中传递系数实验研究[J]．东北大学学报：自然科学版，2014，35（5）：708-711．

[8]杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版社，2008．

[9]冯军胜，董辉，李明明，等．烧结余热回收竖罐内固定床层的阻力特性[J]．中南大学学报：自然科学版，2014，45（8）：2566-2571．

[10]王万中．试验的设计与分析[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[11]李明明．烧结矿余热回收竖罐结构及热工参数研究[D]．沈阳：东北大学，2014．

Analytical Research on Cooling Section Height and Cooling Air Flow of Vertical Tank for Sinter W aste Heat Recovery

GAO Jianye1,FENG Junsheng1,LIU Jingyu1,LIMingming2,DONG Hui1
（1.SEP Key Laboratory on Eco-Industry,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2.NEU-SANKEN,Shenyang 110102,China）

The vertical tank technology for sinter waste heat recovery is one of the transformative technologies for recycling sinter waste heat.One of the core problems is how to determine the structure and operating parameters of vertical tank for recycling waste heat.Firstly,the analytic mathematicalmodel of gassolid heat transfer in vertical tank was established,and then the parameters,such as the height of cooling section and mass flow of cooling air,which had effects on the gas-solid heat transfer process in vertical tank, were studied.Secondly,the two indexes including the exergy carried by the outlet cooling air and the resistance loss of sinter bed layer were quantitatively evaluated by using the method of weighted compositive score and the suitable structural and operating parameters of vertical tank were determined.Finally,the vertical tank assorted with 360m2sinteringmachine was taken as a research object and the suitable thermal parameters are that the cooling section heightof vertical tank is 8m and themass flow of cooling air is 120 kg/s.

sinter;waste heat recovery;vertical tank;gas solid heat transfer;thermal parameters

TF046.4

A

1001-6988（2016）05-0058-05

2016-07-24

国家自然科学基金资助项目（51274065）；国家科技支撑计划课题（2015BAB18B02）

高建业（1993—），男，硕士研究生，研究方向为烧结余热回收竖罐热工过程研究.