果晶晶

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程系， 河北 邢臺(tái) 054035）

燒結(jié)工序的能耗一般占鋼鐵工業(yè)總能耗的10%～20%，燒結(jié)礦余熱資源的高效回收利用是燒結(jié)工序余熱回收的重中之重。燒結(jié)礦余熱罐回收是針對(duì)環(huán)冷機(jī)和帶式冷卻機(jī)等傳統(tǒng)燒結(jié)礦余熱回收設(shè)備存在的不足，借鑒干熄焦工藝，而提出的一種燒結(jié)礦顯熱高效回收技術(shù)。其具有氣—固熱交換充分、漏風(fēng)率幾乎為零、出口熱載體品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)[1]。該技術(shù)可行的關(guān)鍵在于余熱罐內(nèi)氣—固傳熱和料層阻力特性[2]。余熱罐內(nèi)的料層阻力特性通過(guò)影響罐內(nèi)的氣流分布，從而影響罐內(nèi)的氣—固換熱過(guò)程；通過(guò)影響鼓風(fēng)機(jī)的全壓和配套的電動(dòng)機(jī)功率，進(jìn)而影響余熱罐回收利用的經(jīng)濟(jì)性與可行性。因此分析燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)料層阻力特性，對(duì)減小罐內(nèi)料層阻力損失強(qiáng)化氣—固換熱效果，對(duì)提高燒結(jié)礦余熱回收利用效率，分析余熱罐回收設(shè)備的是否可行具有重要的意義。

1 燒結(jié)礦余熱罐冷卻工藝

1.1 燒結(jié)礦余熱罐冷卻工藝流程

如圖1 所示，借鑒干熄焦工藝，蔡九菊提出燒結(jié)礦余熱罐式冷卻工藝[3]。該冷卻工藝主要包括燒結(jié)礦余熱罐、除塵系統(tǒng)、余熱鍋爐、余熱發(fā)電系統(tǒng)四部分。

1.1.1 燒結(jié)礦余熱罐

通過(guò)上料裝置不斷地將高溫?zé)Y(jié)礦裝入燒結(jié)礦余熱罐；燒結(jié)礦在余熱罐內(nèi)自上而下緩慢運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，與自下而上流動(dòng)的冷空氣之間進(jìn)行熱交換；燒結(jié)礦釋放熱量，溫度降低，被冷卻；冷卻后的燒結(jié)礦顆粒從余熱罐底部排出；由風(fēng)機(jī)鼓入的冷空氣，在余熱罐內(nèi)與燒結(jié)礦進(jìn)行熱交換后，吸收熱量溫度升高，成為熱空氣。

1.1.2 除塵系統(tǒng)和余熱鍋爐

熱空氣由環(huán)形煙道排出后，通過(guò)一次除塵進(jìn)入雙壓余熱鍋爐；加熱鍋爐管簇內(nèi)經(jīng)過(guò)除氧處理的補(bǔ)水及冷凝水，最終產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽。

1.1.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)

過(guò)熱蒸汽進(jìn)一步處理后，進(jìn)入汽輪機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；由燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)通過(guò)熱交換產(chǎn)生的熱空氣，溫度則降低至110～150 ℃，成為冷卻廢氣。冷卻廢氣被二次除塵后，由循環(huán)風(fēng)機(jī)送入省煤器，隨之重新循環(huán)至余熱罐內(nèi)（見(jiàn)圖1）。

圖1 燒結(jié)礦余熱罐冷卻工藝流程

1.2 燒結(jié)礦余熱罐回收設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

1）高效回收燒結(jié)余熱資源。消除了傳統(tǒng)冷卻機(jī)漏風(fēng)、僅回收高溫?zé)Y(jié)余熱資源等存在的弊端；革新了傳統(tǒng)冷卻機(jī)只做冷卻燒結(jié)礦之用，不能回收其顯熱的局面。

2）攜帶燒結(jié)礦顯熱的熱空氣品質(zhì)得到了提高。蒸汽產(chǎn)生的穩(wěn)定性和品質(zhì)得到了改善，奠定后續(xù)蒸汽良好利用的基礎(chǔ)。

3）明顯提高燒結(jié)礦冷卻后的品質(zhì)。余熱罐主要設(shè)計(jì)成預(yù)存帶和冷卻帶兩部分。熱燒結(jié)礦在有保溫作用的預(yù)存帶進(jìn)行溫度均勻化和殘存揮發(fā)份析出，經(jīng)過(guò)預(yù)存段后，進(jìn)一步提高了燒結(jié)礦成熟度，幾乎消除生礦；其次燒結(jié)礦在余熱罐內(nèi)由上而下流動(dòng)過(guò)程中，會(huì)受到機(jī)械力作用，從而使燒結(jié)礦的脆弱部分、生礦部分被篩除，進(jìn)而提高燒結(jié)礦的成品率。

4）保護(hù)環(huán)境，降低其粉塵排放量。因燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)的熱交換過(guò)程是在密閉的余熱罐內(nèi)完成的氣—固換熱過(guò)程，余熱罐采用定位接礦，故而所產(chǎn)生的粉塵易控制，環(huán)境較友好。

5）熱能利用率提高。鑒于燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)的冷空氣是循環(huán)工作的，資源的反復(fù)利用率和工作效率得到較大提升，進(jìn)一步提高了熱能利用率。

由此可見(jiàn)，燒結(jié)礦余熱罐回收裝置較傳統(tǒng)冷卻工藝技術(shù)更加優(yōu)越，但也面臨著冷空氣流體流經(jīng)料層阻力特性、氣固熱交換、燒結(jié)礦冷卻速率對(duì)其冶金和機(jī)械性能的影響等重重考驗(yàn)。在燒結(jié)礦余熱罐體內(nèi)，冷空氣流經(jīng)燒結(jié)礦料層空隙與燒結(jié)礦的表面及罐壁進(jìn)行熱交換，冷空氣流經(jīng)料層細(xì)小空隙時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失。余熱罐內(nèi)冷空氣向上流經(jīng)料層的阻力損失直接影響到有關(guān)風(fēng)機(jī)的選擇、風(fēng)機(jī)的耗電量、以及罐內(nèi)料層高度的設(shè)計(jì)等，間接影響余熱罐回收的經(jīng)濟(jì)可行性[4]。因此，研究余熱罐內(nèi)冷空氣的阻力特性，對(duì)燒結(jié)余熱回收利用率的提高以及余熱罐回收設(shè)備是否切實(shí)可行意義重大。

2 燒結(jié)礦余熱罐內(nèi)料層阻力特性研究現(xiàn)狀

直接預(yù)測(cè)料層阻力的研究主要包括Ergun 方程、顆粒摩擦系數(shù)方程等相關(guān)的研究，所采用的的方法有解析分析法、實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值計(jì)算等。

2.1 基于Ergun 方程的料層阻力分析

建立毛細(xì)管模型[5]，聯(lián)合圓形顆粒填充床料層阻力的Blake—Kozeny 層流阻力公式和Burke—Plummer 紊流阻力公式，再結(jié)合640 組不同粒徑球形顆粒填充床實(shí)驗(yàn)，得出Ergun 經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Δp為料層壓降，Pa；L為燒結(jié)礦料層高度，m；ε 為料層孔隙率；μ 為流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；u為流體的表觀流速，m/s；ρ 為流體密度，kg/m3；φ 為燒結(jié)礦的形狀系數(shù)；dp為燒結(jié)礦平均直徑，mm。

Ergun 將壓降ΔP表示成由黏性力引發(fā)的阻力損失和由慣性力導(dǎo)致的流體動(dòng)能損失兩部分組成，確定阻力系數(shù)A=150，B=1.75。此后，許多學(xué)者對(duì)其阻力系數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步修正，以應(yīng)對(duì)填充床不同顆粒的問(wèn)題。常見(jiàn)的修正Ergun 公式的阻力系數(shù)值分別為200 與1.75[6]，180 與1.8～4.0[7]，229 與1.96[8]，160 與1.61[9]。馮軍勝等[10]也通過(guò)實(shí)驗(yàn)修正了Ergun方程的系數(shù)，并分析了不規(guī)則燒結(jié)礦顆粒余熱罐內(nèi)的壓力降特性。

2.2 基于顆粒摩擦系數(shù)的料層阻力分析

除Ergun 方程外，顆粒摩擦系數(shù)公式是另一種分析料層阻力特性的公式：

式中：fp為燒結(jié)礦顆粒摩擦系數(shù)。

顆粒摩擦系數(shù)公式是部分學(xué)者采用無(wú)量綱方程形式來(lái)描述料層阻力特性，突破了Ergun 公式的核心框架。隨后這一公式陸續(xù)被研究、修正，如Hicks、Tallmadge、Lee、Ogawa、Montillet 等均對(duì)顆粒摩擦系數(shù)在不同雷諾數(shù)下的適用范圍進(jìn)行分析；Carpinlioglu對(duì)球體和非均勻顆粒兩種物料填充床內(nèi)流體的壓力降進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，得出以顆粒摩擦系數(shù)為基準(zhǔn)的料層壓力降的計(jì)算方程。后續(xù)進(jìn)一步有學(xué)者研究燒結(jié)礦顆粒摩擦系數(shù)與等效雷諾數(shù)之間存在的關(guān)聯(lián)；也有分析雙粒度混合不規(guī)則燒結(jié)礦顆粒填充床，以找到滿足混合粒度不規(guī)則燒結(jié)礦顆粒的顆粒摩擦系數(shù)[11]。

2.3 其他料層阻力分析

目前國(guó)內(nèi)外以修正Ergun 方程和顆粒摩擦系數(shù)為主要的研究流體流經(jīng)顆粒料層內(nèi)的阻力特性，其料層阻力特性公式不僅與空隙率的準(zhǔn)確測(cè)取緊密相關(guān)，而且僅對(duì)顆粒近似球形的小顆粒床層有較好的適用性。而實(shí)際生產(chǎn)的燒結(jié)礦顆粒形狀極不規(guī)則、不均勻，空隙率測(cè)定難以精確，故而應(yīng)用此兩種研究方法所得結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的工況偏差較大。許多學(xué)者開(kāi)始致力于其他的料層阻力特性研究。

1）計(jì)算較簡(jiǎn)單Lewis 方程（不適用于顆粒雷諾數(shù)較大的情況）。

式中：ΔH為料層高度，m；v為流體的真實(shí)流速，m/s。

2）需試驗(yàn)測(cè)定或理論計(jì)算的Kwauk 方程。

式中：ΔH為燒結(jié)礦顆粒密度，kg/m3；vmfo為表觀初始流態(tài)化速度，m/s。

3）Jun Sug Lee—Kohei Ogawa 關(guān)聯(lián)式。

4）應(yīng)用于雷諾數(shù)≤5×104情形的Achenbach E.關(guān)聯(lián)式。

引入壓降系數(shù)ψ

整理得出：

5）Robert K.Niven 方程。

引入“修正伽里略數(shù)”和“修正空隙雷諾數(shù)”，將計(jì)算氣流通過(guò)料的阻力損失表示成料層空隙特性尺寸“修正伽里略數(shù)”與“修正空隙雷諾數(shù)”的函數(shù)。

此外，李含竹等[11]自行搭建燒結(jié)礦余熱罐試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量不同試驗(yàn)工況下流體流經(jīng)燒結(jié)礦料層阻力特性的相關(guān)數(shù)據(jù)；采用量綱分析與數(shù)據(jù)回歸的方法，建立燒結(jié)礦余熱罐料層阻力公式。其所建立的料層阻力特性公式，打破傳統(tǒng)基于修正Ergun 公式和顆粒摩擦系數(shù)研究流體阻力特性的框架，不受精確測(cè)量空隙率的影響，以一種間接方式反映空隙率，帶有較好的預(yù)測(cè)性。

3 結(jié)論

1）燒結(jié)礦余熱罐回收技術(shù)較傳統(tǒng)燒結(jié)礦余熱回收技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)，但余熱罐內(nèi)氣—固傳熱和料層阻力特性，是影響余熱罐回收經(jīng)濟(jì)性與可行性的關(guān)鍵。

2）目前國(guó)內(nèi)外以修正Ergun 方程和顆粒摩擦系數(shù)為主要的研究流體流經(jīng)顆粒料層內(nèi)的阻力特性，其料層阻力特性公式不僅與空隙率的準(zhǔn)確測(cè)取密切相關(guān)，而且僅對(duì)顆粒近似為球形的小顆粒床層適用性較好。

3）采用量綱分析與數(shù)據(jù)回歸的方式，建立燒結(jié)礦余熱罐料層阻力公式，以一種間接的方式來(lái)反映空隙率，帶有較好的預(yù)測(cè)性。