祁騰飛，黃 軍，孫俊杰，張永杰, 4

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.上海梅山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 南京 210039；4.寶鋼股份有限公司 中央研究院，上海 201900)

燒結(jié)余熱資源主要包括燒結(jié)煙氣和燒結(jié)礦顯熱，燒結(jié)煙氣顯熱屬于低溫余熱資源，利用渠道較為狹窄.而燒結(jié)礦顯熱溫度較高、品質(zhì)較好且易于被空氣攜帶，因此成為燒結(jié)余熱資源回收的重點(diǎn).目前，在我國大多數(shù)鋼鐵企業(yè)中，燒結(jié)礦顯熱的回收是在環(huán)冷機(jī)上完成的，因此不可避免地存在漏風(fēng)量大、粉塵無組織排放和顯熱回收利用率低等弊端.為克服上述不足，國內(nèi)學(xué)者借鑒干熄焦技術(shù)提出了燒結(jié)礦顯熱豎式回收工藝.

目前，關(guān)于燒結(jié)礦顯熱豎式回收工藝的研究主要包括冷卻氣體的壓降特性[1-2]、氣固換熱特性[3-4]以及參數(shù)優(yōu)化[5-6]等方面，而對(duì)豎冷爐布料方式的研究則鮮有報(bào)道.事實(shí)上，由于燒結(jié)礦顯熱豎式回收工藝尚未成熟，核心設(shè)備豎冷爐存在多種爐型結(jié)構(gòu)，其布料方式亦存在較大差別.其中，梅鋼豎冷爐采用矩形截面爐腔、預(yù)存室和冷卻室分離，兩者通過下料管連接.這就使得下料管起到了布料的作用.布料方式?jīng)Q定了冶金反應(yīng)器內(nèi)物料的分布情況，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)空隙率分布以及氣流分布具有重要影響.現(xiàn)有關(guān)于冶金反應(yīng)器布料方式的研究主要圍繞高爐和豎爐布料展開，主要研究布料裝置布局[7-8]、布料溜槽長度和傾角[9]、截面形狀[10-11]、布料制度[12]等因素對(duì)爐料分布的影響.而對(duì)于豎冷爐來說，爐內(nèi)燒結(jié)礦應(yīng)保持合理分布，避免產(chǎn)生嚴(yán)重的顆粒偏析、“鼠穴”以及“管道”，以促進(jìn)冷卻氣流在豎冷爐內(nèi)分布均勻，增加礦-氣接觸換熱，減少冷卻氣流未參與換熱而直接逸出爐外，從而實(shí)現(xiàn)豎冷爐保持合理的壓差以及高效礦-氣換熱的目的.

基于此，本文以梅鋼豎冷爐為研究對(duì)象，就中間布料和邊緣-中心布料兩種布料方式對(duì)豎冷爐內(nèi)燒結(jié)礦偏析以及氣流分布的影響展開研究.首先采用離散單元法獲得兩種布料方式下的燒結(jié)礦填充床，然后將床層的空隙率分布和平均粒徑分布信息作為初始條件，導(dǎo)入流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent中，采用多孔介質(zhì)模型計(jì)算爐內(nèi)的氣流分布和壓力分布情況，以期為優(yōu)化梅鋼豎冷爐布料提供理論依據(jù).

1 模型描述

1.1 物理模型

梅鋼燒結(jié)礦顯熱豎式回收工藝流程如圖1所示.高溫?zé)Y(jié)礦經(jīng)過破碎后裝入上料小車，并被提升至豎冷爐上方的緩沖倉.隨后在重力作用下，通過布料管進(jìn)入豎冷爐爐腔，與從豎冷爐下部中心風(fēng)帽通入的冷卻氣體接觸進(jìn)行氣固逆流換熱.在換熱過程中，燒結(jié)礦以緩慢的速度向下移動(dòng)，最終溫度小于150 ℃并通過振動(dòng)給料機(jī)排出豎冷爐.冷卻氣體經(jīng)過換熱形成溫度約320 ℃的熱煙氣，在爐腔上部匯集后通過主煙道流出.熱煙氣經(jīng)過除塵后進(jìn)入余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽，用于推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電.從余熱鍋爐底部排出的中低溫?zé)煔饨?jīng)過熱水換熱、二次除塵以及摻冷風(fēng)后，由循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓再次送入豎冷爐.

圖1 梅鋼燒結(jié)礦顯熱豎式回收工藝流程

梅鋼豎冷爐包含6個(gè)料倉，其模型如圖2a所示.經(jīng)過技改后，將原來的豎直下料管改為“一分四”結(jié)構(gòu)的下料管，形成爐腔中間布料的形式，如圖2b所示.本文以梅鋼豎冷爐單個(gè)料倉為基礎(chǔ)，忽略緩沖倉、十字風(fēng)梁以及排料管等設(shè)備，切片建立準(zhǔn)三維扁平模型.同時(shí)在下料管上方設(shè)置錐形料斗，用于生成燒結(jié)礦顆粒.為降低計(jì)算量，選擇豎冷爐腔的二分之一作為計(jì)算域.為降低前后壁面對(duì)燒結(jié)礦顆粒的摩擦作用，模型厚度為最大顆粒徑的5倍(750 mm).本文研究中間布料和邊緣-中心布料兩種布料方式，相應(yīng)的物理模型如圖2c所示.

圖2 物理模型圖

為準(zhǔn)確描述燒結(jié)礦的堆積特性并兼顧計(jì)算能力，本文采用的燒結(jié)礦具有10～150 mm粒度分布.各個(gè)粒度段的質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)梅鋼豎冷爐實(shí)際生產(chǎn)情況確定.對(duì)于粒度小于10 mm的顆粒，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)并入10～25 mm粒度段內(nèi).每個(gè)粒度段內(nèi)燒結(jié)礦的粒度隨機(jī)生成，具體的粒度組成見表1.模擬所需的物性參數(shù)通過文獻(xiàn)[13]中堆密度和堆積角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，詳細(xì)內(nèi)容見表2.

表1 燒結(jié)礦粒度組成

表2 物性參數(shù)

計(jì)算采用的時(shí)間步長為4×10-5s，中間布料和邊緣-中心布料兩種模式下顆粒數(shù)量分別為813 218和937 608.

1.2 DEM模型

豎冷爐內(nèi)燒結(jié)礦顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中，受自身重力、顆粒與顆粒以及顆粒與壁面之間的接觸力作用，同時(shí)還受到切向力扭矩和滾動(dòng)摩擦扭矩的作用，使顆粒產(chǎn)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng).根據(jù)牛頓第二定律，顆粒運(yùn)動(dòng)的控制方程：

(1)

(2)

式中：mi表示顆粒i的質(zhì)量，kg；Ii表示顆粒i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；vi表示顆粒i的平動(dòng)速度，m/s；ωi表示顆粒i的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；t表示時(shí)間，s；ki表示與顆粒i接觸的顆粒數(shù)量；mig表示顆粒i的重力，N；Fcn,ij表示顆粒i與顆粒j間的法向接觸力，N；Fdn,ij表示顆粒i與顆粒j間的法向阻尼力，N；Fct,ij表示顆粒i與顆粒j間的切向接觸力，N；Fdt,ij表示顆粒i與顆粒j間的切向阻尼力，N；Tij表示顆粒i與顆粒j間所受的切向力扭矩，N·m；Mij表示顆粒i與顆粒j間所受的滾動(dòng)摩擦力扭矩，N·m.其中所有力及扭矩的具體表達(dá)式參見文獻(xiàn)[14].

1.3 網(wǎng)格劃分

本文首先采用離散元模擬獲得不同布料方式下的燒結(jié)礦填充床.然后選取模型中心厚度為450 mm的矩形爐腔區(qū)域進(jìn)行研究.為計(jì)算區(qū)域內(nèi)燒結(jié)礦的粒度分布和空隙率分布，需對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散化處理.考慮到顆粒最大粒徑達(dá)150 mm，為準(zhǔn)確計(jì)算空隙率，網(wǎng)格尺寸至少為最大粒徑3倍.同時(shí)為提高計(jì)算結(jié)果的精度，應(yīng)控制網(wǎng)格尺寸不能過大.為此提出了先繪制尺寸較大的粗網(wǎng)格，然后移動(dòng)粗網(wǎng)格獲得細(xì)網(wǎng)格的方法.具體的劃分過程如圖3a所示.

圖3 爐腔局部空間細(xì)化過程及網(wǎng)格邊界條件

1)首先將計(jì)算域沿X方向劃分成5層、沿Z方向劃分成11層，形成55個(gè)尺寸為0.48 m×0.512 m×0.45 m的局部空間，保證每個(gè)空間內(nèi)均含有一定數(shù)量的顆粒.每個(gè)局部空間的空隙率保存在局部空間的中心位置.

2)將上述局部空間依次沿X方向向右平移0.16 和0.32 m，從而獲得新局部空間中心位置的空隙率.對(duì)于邊緣處的局部空間，若其中心坐標(biāo)仍處于計(jì)算域內(nèi)，則將該局部空間內(nèi)超出計(jì)算域的體積舍去，剩余部分重新進(jìn)行空隙率計(jì)算.若其中心坐標(biāo)已處于計(jì)算域外，則舍棄該局部空間內(nèi)的數(shù)據(jù).

3)按照同樣的處理方式，將局部空間依次沿Z方向向上平移0.128，0.256和0.384 m，向下平移0.128 m，沿X方向向左平移0.16 m.

4)合并平移過程中產(chǎn)生的重復(fù)網(wǎng)格，同時(shí)舍棄頂部和底部分別形成的半層網(wǎng)格，最終形成645個(gè)尺寸為0.16 m×0.128 m×0.45 m的局部空間.將該細(xì)化后的局部空間作為計(jì)算網(wǎng)格，導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行計(jì)算.

1.4 多孔介質(zhì)模型

本文采用多孔介質(zhì)模型模擬冷卻氣體在燒結(jié)礦填充床內(nèi)的流動(dòng).并作出如下假設(shè)：

1)燒結(jié)礦填充床粒度和空隙率分布的變化情況忽略不計(jì)；

2)燒結(jié)礦填充床的粒度和空隙率皆為不均勻分布，其分布情況由離散元計(jì)算結(jié)果提供；

3)燒結(jié)礦填充床為各項(xiàng)同性的多孔介質(zhì)；

4)忽略氣固換熱的影響.

燒結(jié)礦填充床內(nèi)氣體流動(dòng)的控制方程如下.

連續(xù)性方程：

(3)

動(dòng)量方程：

(4)

式中：ρ為冷卻氣體密度，kg/m3；vi為冷卻氣體在i方向的速度，m/s；p為冷卻氣體壓強(qiáng)，Pa；gi為冷卻氣體在i方向上的體積作用力，N/m3；μ為冷卻氣體動(dòng)力黏度，Pa·s；t為時(shí)間，s；Si為動(dòng)量源項(xiàng).Fluent多孔介質(zhì)模型通過在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)量方程上添加源項(xiàng)Si描述多孔介質(zhì)對(duì)冷卻氣體的阻力，其表達(dá)形式為

(5)

式中：1/α為黏性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù).

根據(jù)修正的Ergun方程，上述黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)[15]取值為

(6)

(7)

式中：λ為空隙率；d為平均粒徑，m.

通過Fluent商業(yè)軟件提供的UDF函數(shù)，將每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的空隙率和平均粒徑寫入黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的計(jì)算公式中.湍流方程選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型.使用SIMPLE算法求解壓力和速度，控制方程采用一階迎風(fēng)格式離散，收斂殘差設(shè)為1×10-4.邊界條件設(shè)置如下：計(jì)算域底部設(shè)為速度入口邊界條件，并根據(jù)單個(gè)料倉供風(fēng)量相等的原則，換算出冷卻氣體從中心風(fēng)帽進(jìn)入改為從計(jì)算域底部進(jìn)入時(shí)的入口表觀速度為2.8 m/s；上部面設(shè)為壓力出口邊界條件，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測值，壓強(qiáng)設(shè)為-0.2 kPa；右側(cè)壁面為對(duì)稱面，其余壁面設(shè)為wall，如圖3b所示.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 布料方式對(duì)燒結(jié)礦分布的影響

圖4給出了在兩種布料方式下，燒結(jié)礦在豎冷爐內(nèi)的分布情況.可知兩種布料方式都產(chǎn)生了燒結(jié)礦的偏析分布.為定量描述爐腔內(nèi)燒結(jié)礦的偏析程度，采用個(gè)數(shù)體積平均粒徑Dnv來表征各個(gè)局部空間內(nèi)的平均粒徑，同時(shí)將該值與整個(gè)豎冷爐腔內(nèi)顆粒的平均粒徑D的比值定義為相對(duì)平均粒徑Dr，表征燒結(jié)礦顆粒分布的偏析情況，如式(8)所示.

圖4 不同布料方式下爐內(nèi)燒結(jié)礦分布

(8)

式中：n為局部空間內(nèi)顆粒的數(shù)量；di為單個(gè)顆粒的粒徑.Dr大于1時(shí)，表明發(fā)生大顆粒偏析，反之則為小顆粒偏析.接近于1時(shí)，表明燒結(jié)礦顆粒分布均勻.

繪制兩種布料方式下爐內(nèi)的Dr分布，同時(shí)將Dr值的變化范圍縮小為0.65～1.93以方便比較，如圖5所示.由圖可知采用中間布料時(shí)，大顆粒偏析主要發(fā)生在邊壁區(qū)上部和爐腔中心區(qū)內(nèi).在副對(duì)角線區(qū)發(fā)生小顆粒偏析；而采用邊緣-中心布料時(shí)，大顆粒偏析主要發(fā)生在爐腔中間區(qū)，爐腔邊壁區(qū)和中心區(qū)發(fā)生小顆粒偏析.產(chǎn)生上述偏析程度不同的原因可能是采用中間布料時(shí)，燒結(jié)礦首先與爐腔中下部邊壁區(qū)碰撞并產(chǎn)生堆積，大顆粒滾動(dòng)到爐腔中心需要移動(dòng)整個(gè)爐腔的距離，造成大小顆粒分離程度較好，爐腔中心區(qū)大顆粒偏析嚴(yán)重.當(dāng)采用邊緣-中心布料時(shí)，從堆尖處滾落的大顆粒只能移動(dòng)半個(gè)爐腔的距離，大小顆?；旌铣潭热暂^好，使得爐腔中間區(qū)大顆粒偏析程度較輕.計(jì)算不同高度平面上Dr值的標(biāo)準(zhǔn)差以衡量其分布的波動(dòng)情況，如圖6所示.可知在相同的高度上，邊緣-中心布料對(duì)應(yīng)的Dr標(biāo)準(zhǔn)差均小于中間布料，邊緣-中心布料能夠緩解燒結(jié)礦的偏析程度.

圖5 不同布料方式下Dr分布

圖6 不同高度上Dr的標(biāo)準(zhǔn)差

2.2 布料方式對(duì)空隙率分布的影響

豎冷爐內(nèi)空隙率的分布對(duì)于冷卻氣體在爐內(nèi)的分布具有重要影響.采用式(9)對(duì)不同局部空間內(nèi)的空隙率進(jìn)行計(jì)算.

(9)

式中：Vl為局部空間的體積；ni為局部空間內(nèi)i類型顆粒數(shù)量；Vi為局部空間內(nèi)i類型顆粒體積.

由于料面上方的自由空間空隙率為1，為方便比較，將空隙率的最大范圍縮小至0.475 5.爐腔空隙率分布如圖7所示.當(dāng)采用中間布料時(shí)，爐內(nèi)空隙率整體較大，但在邊壁區(qū)上部和中心區(qū)下部，分別存在空隙率較小和較大的區(qū)域.而采用邊緣-中心布料時(shí)，爐內(nèi)空隙率整體較小，且基本呈沿高度方向逐漸增大的分布.另外，對(duì)比燒結(jié)礦空隙率分布和燒結(jié)礦分布可知，燒結(jié)礦的偏析分布并不能代表空隙率分布.以邊緣-中心布料為例，在爐腔中間大顆粒偏析的區(qū)域，空隙率卻呈現(xiàn)爐腔中間區(qū)下部較小、上部較大的分布.分別繪制兩種布料方式下，不同高度爐內(nèi)空隙率的標(biāo)準(zhǔn)差以衡量空隙率分布的均勻性，如圖8所示.可知低于0.8 m的區(qū)域，中間布料的空隙率波動(dòng)性較小.而在0.8 m以上的區(qū)域，邊緣-中心布料的空隙率波動(dòng)性較小.從整個(gè)料層高度來看，邊緣-中間布料對(duì)應(yīng)的料層空隙率均勻性更好，該布料方式優(yōu)于中間布料.

圖7 不同布料方式下空隙率分布

圖8 不同高度上空隙率的標(biāo)準(zhǔn)差

2.3 布料方式對(duì)氣流分布的影響

圖9描述了在兩種布料方式下，爐內(nèi)氣流速度的分布情況.由于爐內(nèi)不同位置處空隙率以及顆粒平均粒徑不同，導(dǎo)致燒結(jié)礦對(duì)氣體的阻力亦不相同，使得爐內(nèi)氣流速度呈不均勻分布.當(dāng)采用中間布料時(shí)，爐內(nèi)氣流呈兩種偏析分布形式.當(dāng)Z<3.6 m時(shí)，邊壁區(qū)和部分中間區(qū)氣流速度處于2.18～2.67 m/s.部分中間區(qū)增加至2.67～3.25 m/s.而在中心區(qū)，氣流速度則在3.25 m/s以上，甚至超過3.98 m/s，從而形成沿邊壁區(qū)向中間區(qū)逐漸增加的分布.當(dāng)Z>3.6 m時(shí)，邊壁區(qū)氣流速度逐漸增加至3.98 m/s以上，而中間區(qū)則減少至1.2 m/s以下.同時(shí)中心區(qū)的氣流速度亦逐漸增加至5.93 m/s以上.從而形成中心區(qū)和邊壁區(qū)流速較大、中間區(qū)流速較小的“U”型分布.產(chǎn)生上述速度分布的原因在于當(dāng)Z<3.6 m時(shí)，中心區(qū)料層空隙率和平均粒徑均較大，使得料層對(duì)氣體阻力較小，導(dǎo)致氣流速度較大.而當(dāng)Z>3.6 m時(shí)，邊壁區(qū)空隙率逐漸增大，同時(shí)亦逐漸變?yōu)榇箢w粒偏析，使得該區(qū)域?qū)怏w的阻力逐漸變小，令氣流速度逐漸增大.當(dāng)采用邊緣-中心布料時(shí)，邊壁區(qū)和中心區(qū)氣流速度基本維持在2.18～2.67 m/s，而中間區(qū)則維持在2.67～3.25 m/s，形成中心區(qū)和邊壁區(qū)流速較小、中間區(qū)流速較大的“Λ”型分布.當(dāng)料層高度接近料層表面區(qū)域時(shí)，中間區(qū)氣流速度逐漸增加至5.93 m/s以上.產(chǎn)生上述速度分布的原因在于盡管料層空隙率相近，但中間區(qū)的平均粒徑較大，降低了料層阻力.繪制兩種布料方式下不同高度截面上氣流速度沿X方向分布的標(biāo)準(zhǔn)差如圖10所示.可知邊緣-中心布料時(shí)，氣流速度標(biāo)準(zhǔn)差均小于中間布料，表明該方式下氣流速度沿寬度分布更加均勻.

圖9 不同布料方式下氣流速度分布

圖10 不同高度上氣流速度的標(biāo)準(zhǔn)差

2.4 布料方式對(duì)氣體壓力分布的影響

本文模擬條件與實(shí)際工況條件如表3所示.在得到中間布料方式下入口氣體壓力的模擬值后，使用式(10)將其換算為工況條件下壓力值.然后再與梅鋼豎冷爐運(yùn)行實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.

表3 工況條件

(10)

式中：P0，T0和Q0分別為模擬條件下氣體壓力(Pa)，氣體溫度(K)和氣體流量(m3/h)；P，T和Q分別為工況條件下氣體壓力(Pa)，氣體溫度(K)和氣體流量(m3/h).計(jì)算得到工況條件下的氣體壓力為5 170 Pa，與實(shí)際工況5 372 Pa相對(duì)誤差為3.76%，由此可知模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合較好，模型準(zhǔn)確度較高.

圖11給出了兩種布料方式下，爐內(nèi)氣體壓力分布情況.使用中間布料時(shí)，爐內(nèi)整體壓降較小，為5 400 Pa左右.在爐腔底部和上部分別沿X方向出現(xiàn)了明顯的壓力分布不均.在爐腔底部，中心區(qū)空隙率和平均粒徑均較大，使其料層阻力較小，造成氣體壓力小于中間區(qū)和邊壁區(qū)；而在爐腔上部，在空隙率相近的條件下，邊壁區(qū)的平均粒徑更大，使其料層阻力較小，造成氣體壓力亦略小于中間區(qū)和中心區(qū).上述壓力分布情況意味著在爐腔底部和中上部，冷卻氣流分別存在著一定程度的偏行，不利于其沿X方向的均勻分布.當(dāng)采用邊緣-中心布料時(shí)，爐內(nèi)整體壓降增幅明顯，達(dá)到9 400 Pa左右.但氣體壓力在X方向上基本能夠均勻分布，有利于緩解氣流的偏行，提高氣體利用率.

圖11 不同布料方式下氣體壓力分布

3 結(jié) 論

1)采用中間布料時(shí)，大顆粒偏析主要發(fā)生在爐腔邊壁區(qū)上部和中心區(qū)，而采用邊緣-中心布料時(shí)，大顆粒偏析主要發(fā)生在爐腔中間區(qū).不同高度條件下，邊緣-中心布料對(duì)應(yīng)的Dr值分布更加均勻，說明該布料方式能夠緩解燒結(jié)礦的偏析程度.

2)采用中間布料時(shí)，爐腔空隙率雖整體較大，但在爐腔中心區(qū)下部和邊壁區(qū)上部分別存在空隙率較大和較小的區(qū)域，使得空隙率分布的均勻性降低.而采用邊緣-中心布料時(shí)，爐腔空隙率雖整體較小，但就整個(gè)爐腔高度來看，空隙率分布的均勻性更好.

3)采用中間布料時(shí)，在爐腔中下部，氣體流速沿邊壁區(qū)向中心區(qū)逐漸增大.而在爐腔上部，氣體流速呈中心區(qū)和邊壁區(qū)流速較大、中間區(qū)流速較小的“U”型分布.采用邊緣-中心布料時(shí)，氣體流速呈中間區(qū)較大、中心區(qū)和邊壁區(qū)較小的“Λ”型分布.從氣體流速沿寬度方向分布的均勻性考慮，邊緣-中心布料的效果更佳.

4)采用中間布料時(shí)，爐內(nèi)壓降較小，但在爐腔底部和上部，氣體壓力沿寬度方向分布不均，導(dǎo)致爐內(nèi)氣流偏行.采用邊緣-中心布料時(shí)，爐內(nèi)壓降顯著增大，但氣體壓力分布變好.

5)總體來看，邊緣-中心布料雖然使空隙率整體偏低、爐內(nèi)壓降顯著增大，但能夠緩解燒結(jié)礦的偏析程度，提高空隙率分布、氣流速度分布以及氣體壓力分布沿寬度方向的均勻性.因此推薦使用邊緣-中心布料.