烧结矿余热罐内气固传热分析★

果晶晶

（河北科技工程职业技术大学资源与环境工程系，河北 邢台 054035）

烧结矿余热罐回收技术是目前具有革命性的、高效回收烧结显热的余热回收技术，经历了烧结矿余热罐内流动与传热机理的研究→技术层面分析；从解析、数值计算→实验室试验→小试→中试。其关键问题之一是罐内烧结矿料层气固传热过程。余热罐内的气固传热过程直接影响到烧结矿的冷却效果和余热罐出口热风所携带的火用值，最终影响到该系统的发电量。气固传热越充分，余热回收率越高。为此，本文主要对烧结矿余热罐气固传热的研究现状和强化气固传热技术途径两方面进行分析，以期为强化烧结余热回收余热罐气固传热指明方向，对烧结矿余热罐的工程设计起到指导作用。

1 烧结矿余热罐内气固传热研究现状

力杰等[1]借助Comsol 数值软件建立了余热罐内的气固传热数学模型，模拟出罐内烧结矿料层内的冷风、烧结矿温度分布情况，探索出余热罐内的气固传热过程随烧结矿的料层高度和气料比的变化规律。

刘立钧等[2]利用有限差分法研究烧结矿余热罐内的气固换热过程，并主要分析了气料比、冷风入口温度、冷却风量对余热罐内气固传热的影响规律。

果晶晶等[3]应用CFD 数值模拟软件建立了二维烧结矿余热罐内的气固换热模型，分析了冷风入口温度、冷却风量对罐内气固换热的影响。

王萌等[4]通过实验测得余热罐料层传热相关数据，获得余热罐料层传热系数的关联式，并研究冷却风量、烧结矿颗粒直径、烧结矿料层高度与烧结矿料层传热系数之间的关系。李磊等[5]结合实验数据，进一步完善余热罐料层传热系数公式。

冯军胜等[6-7]搭建烧结矿余热罐气固传热实验台，整理实验数据拟合出烧结矿料层气固传热关联式，并研究余热罐内气固传热系数随冷却风量、烧结矿颗粒直径的变化规律。研究发现冷却风量、烧结矿颗粒直径对余热罐内气固传热系数影响较大；罐内烧结矿温度较前两者对气固传热系数影响较小。

黄柱成等[8]以某烧结厂的热风与热烧结矿为基础，研究了余热罐内气固对流换热特性，发现冷却风量和冷风入口温度是影响气固换热的主要因素，并拟合出烧结矿料层气固传热关联式。

后续通过进一步深入研究，冯军胜等[9-10]引入火用传递系数，从而推出余热罐内料层的火用传递系数公式；并借助实验数据拟合出烧结矿料层火用传递系数的关联式。

在以前烧结矿余热罐内气固传热研究结果的基础上，冯军胜等[11-12]主要应用多孔介质理论和局部非热力学平衡理论，对余热罐内的三维稳态气固传热进行了数值模拟分析。该模拟工作最大的关键点在于通过自定义函数UDF 的方式，将相关的实验数据如余热罐内冷风流动的惯性阻力系数、粘性阻力系数、气固物性参数、气固换热系数等导入数学模型进行模拟研究。最后分别分析了烧结矿入口温度、烧结矿颗粒直径、气料比、冷风入口温度与余热罐内气固传热之间的联系。

张晟[13]等在模拟研究时运用COMSOL 数值模拟软件的自定义函数（UDF）功能，将余热罐内冷风压力损失关系式和烧结矿料层气固换热系数关系式嵌入所建立的三维余热罐冷却段的数学模型中，藉此模拟研究年产量260 万t 烧结矿余热罐冷却段的气固传热过程，如下页图1 所示[13]。

沈勋等[14]运用协同理论研究了气料比、烧结矿料层高度、烧结矿料层直径等因素对于余热罐内烧结矿冷却过程场协同数的影响，并指出烧结矿余热罐应由“瘦高型”向“矮胖型”发展。气料比和烧结矿料层高度对气固换热的主要影响因素，烧结矿料层直径的影响相对较小。

以上研究结果表明：

1）烧结矿料层高度、气料比、烧结矿颗粒直径、冷却风量对料层内气固传热有重要影响：相同的条件下，若增加烧结矿料层高度，热风的出口温度呈逐渐升高的趋势，烧结矿出口温度呈逐渐降低的趋势，余热罐出口热风所携带的火用值呈初始增大然后趋于平稳的变化趋势；随着气料比的增加，烧结矿出口温度、热风的出口温度都呈逐渐降低的趋势，余热罐出口热风所携带的火用值呈先增后减的变化趋势；烧结矿颗粒直径越小，气固传热系数也就越大；随着余热罐内冷却风量的增加，烧结矿出口温度逐渐降低，气固换热系数也随之增大[15]。

2）料层烧结矿温度、冷风入口温度对余热罐内的气固传热也会有影响：料层烧结矿温度增加，余热罐内气固传热会增大；烧结矿的气固传热随冷风入口温度的增加而降低，且烧结矿出口温度会升高。

3）烧结矿料层直径对余热罐内气固换热的影响相对较小。

目前烧结矿余热罐内的气固传热研究中，一般假设烧结矿颗粒为规则模型、完全弹性碰撞，以平均空隙率进行计算，忽略了烧结矿料层的不均匀性[16]。然而空隙率分布对余热罐内的气固传热规律有很大影响。研究中若考虑空隙率的分布情况，将会使料层中传递模型和化学反应过程的模型更加精准。

2 强化烧结矿余热罐气固传热的主要技术途径

余热罐内气固热交换属于以对流换热为主的气固传热过程。该气固热交换是否充分主要取决于气固接触和热交换时间两方面，其主要因素包括余热罐冷却段的高度、冷却风量、余热罐内烧结矿料层空隙率等。因此强化烧结矿余热罐气固传热的途径主要有：

1）烧结矿余热罐冷却段的高度选取要适当增加。余热罐冷却段高度的选取，是要保证罐内充足的气固热交换时间。余热罐冷却段高度与其直径一般呈反比关系。当余热罐冷却段直径越大，冷风的分布情况就会越不均匀，气固接触就越不充分，气固传热效果就越差。当增加余热罐的冷却段高度，冷风流经烧结矿料层的阻力损失增加，还会影响到热风出口的温度和流量。故而，烧结矿余热罐冷却段的高度选取，要综合考虑到余热罐冷却段的直径、余热罐出口热风品质，以期既能实现冷风流经烧结矿料层的阻力适宜，又能实现冷风在冷却段均匀分布，还能获得较高品质的罐体出口热风[15，17-18]。

2）合理调节冷却风量。冷却风量亦为保证罐内充足的气固热交换时间。应适当减小冷却风量，但要辩证考虑。目前认为较冷却风量为为55 万～60 万m3/h[15，17]。

3）增大余热罐内烧结矿料层空隙率。烧结矿颗粒直径是影响烧结矿料层空隙率最重要的因素之一。一般而言，余热罐内烧结矿料层空隙率随着烧结矿颗粒直径的减小而变小。实际生产中，主要影响余热罐内烧结矿料层空隙率是直径在5 mm 以下的烧结矿粉矿含量。该部分的粉矿含量，可通过尽可能的降低烧结矿从热破碎阶段到余热罐预存段之间一系列的高度落差和改进热破碎等手段，来保证余热罐内烧结矿料层的空隙率[15]。

3 结论

1）烧结矿余热罐回收技术是目前具有革命性的、高效回收烧结显热的余热回收技术，余热罐内烧结矿料层气固传热过程是制约其潜力发挥的关键技术问题之一。

2）烧结矿料层高度、气料比、烧结矿颗粒直径、冷却风量对烧结矿余热罐料层内气固传热有重要影响；料层烧结矿温度、冷风入口温度对余热罐内的气固传热也会产生一定影响。

3）在烧结矿余热罐内气固传热过程中，烧结矿料层空隙率的分布情况是有待进一步研究的问题。

4）目前强化烧结矿余热罐气固传热的主要技术途径有适当增加烧结矿余热罐冷却段的高度，合理调节冷却风量，增大余热罐内烧结矿料层空隙率。