余熱罐內燒結礦顯熱回收的實驗分析

果晶晶， 趙 鑫， 陳 健

（1.邢臺職業技術學院資源與環境工程系， 河北 邢臺 054035；2.邢臺職業技術學院會計系， 河北 邢臺054035；3.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司， 河北 邢臺 054025）

鋼鐵生產中產生余熱的高效回收利用是鋼鐵工業節能減排的重要方向之一。其中，因為燒結工序消耗大量能源，且燒結礦大量余熱被浪費，成為了余熱高效回收利用中亟待解決的問題[1-2]。近年來，國內研究重點放在如何利用燒結礦顯熱產生蒸汽，以供發電或連入蒸汽管網[3-5]；但在工業應用中，卻因燒結礦顯熱品位低，無法持續穩定供給，冷卻機漏熱嚴重[6]等問題，尚無經濟有效的措施加以解決，使得燒結礦顯熱高效回收利用工作推進困難。同時，國內已建成投產的燒結礦余熱發電項目中，因電站運行和參數選取等缺乏理論支撐，無法成熟應用，余熱鍋爐成套產品尚存較大改善的空間。此外，對于燒結礦余熱回收工作也缺乏完整統一的技術經濟評價指標[7-9]。

燒結工序中，高溫燒結礦冷卻過程產生了大量余熱，這部分余熱若能夠有效回收利用，對于鋼鐵工業節能減排，實現企業可持續發展前景意義重大。本文參考焦炭行業的“干熄焦罐”結構特點設計燒結礦余熱罐模型，搭建燒結礦顯熱回收的物理實驗平臺，設定12 組不同工況，分析了入口風溫、入口流速、料層厚度分別對燒結礦冷卻效率及燒結礦火用（EX）回收利用率的影響。為燒結礦顯熱的高效回收提供了實驗依據。

1 燒結礦余熱回收的實驗裝置與實驗方法

1.1 燒結礦余熱回收的實驗裝置與方法

本文提出在帶式燒結機尾部設置一個圓柱形的大料罐，將其稱之為“燒結礦余熱罐”，具體模型如圖1 所示，熾熱的燒結礦從燒結機機尾下落到余熱罐，與從罐底鼓入的氣體之間進行熱量的交換，熱氣體被導入余熱利用裝置。

圖1 燒結礦余熱罐的幾何模型

燒結礦在余熱罐內冷卻過程是一個高溫、非穩態的傳熱過程。為獲得準確、科學數據，余熱罐內燒結礦顯熱回收實驗裝置按照相似原理搭建；同時，設計、連接變頻風機、熱電偶組、熱交換器對冷卻過程溫度速度等參數進行精確測量。如下頁圖2 所示，搭建的燒結礦顯熱回收實驗裝置包括變頻風機、空氣加熱器、燒結礦余熱罐換熱本體、空/液換熱器和熱電偶組、電阻加熱爐、以及各種閥門等所組成。使用電阻加熱爐將企業現場獲得的燒結礦加熱到900 ℃并均溫，然后借助吊車將高溫燒結礦從余熱罐的頂部裝入罐體，按照既定的工況參數從余熱罐的底部向罐內鼓入氣態冷卻介質（即空氣），鼓入的冷卻介質與高溫燒結礦之間進行氣/固熱量交換，高溫燒結礦向外放出熱量，溫度降低；冷卻介質吸收高溫燒結礦的熱量，溫度升高，高溫的冷卻介質流過空/液換熱器后排放到大氣。

圖2 實驗系統示意圖

1.2 試驗工況設定

本研究改變冷卻介質的入口溫度、冷卻介質入口流度、料層厚度三個燒結生產工藝參數來研究其對燒結礦冷卻換熱過程中的影響，設定的主要工況參數如表1 所示。

表1 燒結礦冷卻實驗工況參數的設定

2 試驗結果的討論與分析

2.1 燒結礦顯熱回收的評估參數

在一定的環境條件下，系統所提供的熱量可轉化為有用功的最大值用火用（EX）[10]來表示。當有機械能損失時，系統的作功能力下降，出現火用損[11]。為了更好地研究燒結礦余熱罐內燒結礦與空氣的換熱效果，本研究采用冷卻效率和燒結礦EX回收率兩個指標來評價燒結礦顯熱回收效果的好壞。

冷卻效率：

式中：Tout，j為某一時刻冷卻介質的出口溫度，℃；Tin為冷卻介質入口溫度，℃；Tave為整個實驗過程中高溫冷卻介質出口溫度的平均值，℃。

燒結礦EX回收率：

2.2 冷卻介質入口溫度的影響分析

試驗工況1-4（見表1）為冷卻介質入口流速9m/s、料層厚度為1 140 mm 情況下改變入口冷卻介質溫度從50 ℃、60 ℃、70 ℃到90 ℃的情況，其冷卻效率及EX回收率如下頁圖3 所示。如圖3-1 所示，冷卻開始時，燒結礦余熱罐頂部出口處高溫冷卻介質的溫度達到最大值；1-4 四種工況在冷卻前期燒結礦的冷卻效率較高，冷卻后期的冷卻效率較低，燒結礦的冷卻效率隨冷卻時間的增加大體呈下降的趨勢。這主要是因為隨著冷卻時間的延長，燒結礦的溫度在不斷地下降，致使高溫冷卻介質的出口溫度隨之下降，冷卻后期燒結礦的冷卻效率減弱。由圖3-2 可知，燒結礦EX回收利用率隨著冷卻介質入口溫度的增加，先增加后減小，在空氣入口溫度為70 ℃時達到最大值。究其原因為余熱罐入口處冷卻介質溫度增加，出口高溫冷卻介質溫度隨之增加，燒結礦EX回收利用率提高；隨著余熱罐入口冷卻介質溫度繼續增大，燒結礦與冷卻介質之間的溫差縮小，兩者的對流換熱強度減弱，由實驗結果表明冷卻介質入口溫度為70 ℃時，燒結礦EX回收利用率出現峰值。

圖3 冷卻介質入口溫度對燒結礦氣/固換熱的影響

2.3 冷卻介質入口速度的影響分析

試驗工況5-8 見表1 為冷卻介質入口溫度90℃、料層厚度為1 140 mm 情況下改變入口冷卻流速從7 m/s、8 m/s、9 m/s 到10 m/s 的情況，其冷卻效率及EX回收率如圖4 所示。隨冷卻時間的增加，燒結礦的冷卻效率大體呈下降的趨勢；冷卻前期，燒結礦的冷卻效率隨著入口流速的增加而增加，冷卻后期冷卻效率隨著入口流速的增加略有降低。由圖4-2可知，燒結礦EX回收利用率隨著冷卻介質入口流速的增加而增加，并在工況8 冷卻介質入口流速為10 m/s 時達到最大值其原因為冷卻介質入口流速的增加，強化了空氣和燒結礦之間的對流換熱，從而在料層厚度和入口冷卻介質溫度不變的條件下，余熱罐的冷卻效率和燒結礦的EX回收利用率隨著冷卻介質入口流速的增大而增大。

圖4 冷卻介質入口速度對燒結礦氣/固換熱的影響

2.4 燒結礦料層厚度的影響分析

試驗工況9-12 為冷卻介質入口溫度90 ℃、流速9 m/s 的情況下，實驗研究710 mm、850 mm、1 140 mm、1 400 mm 四種不同燒結礦料層厚度的情況，如圖5所示。如圖5-1 所示，燒結礦的冷卻效率隨其料層厚度的增加而增加，這是因為燒結礦料層厚度增加，冷卻介質與燒結礦之間的的對流換熱時間延長、熱量交換較為充分；圖5-2 顯示，燒結礦EX回收利用率的變化趨勢為隨著料層厚度的增加先增加后降低。這是因為隨著料層厚度的增加，冷卻介質流經燒結礦的阻力也隨之增加，EX回收利用率降低，由此可以看出燒結礦料層厚度并非越高越好，而是存在一較佳的料層厚度，在本研究試驗工況下850 mm 的料層厚度所對應的燒結礦EX回收利用率達到峰值。

圖5 料層厚度對燒結礦氣/固換熱的影響

3 結論

1）燒結礦冷卻效率隨時間延長不斷降低；較低的入口溫度在冷卻開始時具有較高的冷卻效率；冷卻介質入口溫度升高，燒結礦EX回收率先增加后降低，并于70 ℃時達到EX回收率峰值。

2）燒結礦的冷卻效率在冷卻剛開始的一段時間內，較大的冷卻速度具有較高的冷卻效率；隨著冷卻的進行，反而較小的空氣入口速度的冷卻效率高一些，直至冷卻的后期；冷卻介質入口流速提高，EX回收率升高。

3）燒結礦料層厚度增加，EX回收率先增加后降低，并于850 mm 達到峰值。