燒結(jié)煙氣循環(huán)混氣裝置的數(shù)值模擬研究

王濤¹ 李寒冰² 陳紅章¹ 

（1．中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖北武漢 430080；

2．山西晉南鋼鐵集團(tuán)有限公司 山西臨汾 043400）

[摘要]：山西晉南鋼鐵廠3#燒結(jié)機(jī)采用中冶南方武鋼院自主研發(fā)的內(nèi)循環(huán)耦合環(huán)冷熱風(fēng)燒結(jié)的工藝路線，采用FLUENT軟件針對(duì)3#燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)中的關(guān)鍵設(shè)備混氣裝置和循環(huán)煙氣罩進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、氧含量的模擬研究。模擬結(jié)果表明，該形式的混氣裝置可以有效地混合內(nèi)循環(huán)煙氣和環(huán)冷熱風(fēng)；增加導(dǎo)流板的循環(huán)煙氣罩保證送至燒結(jié)料面循環(huán)煙氣氧含量、溫度均勻分布。項(xiàng)目投產(chǎn)后，一方面有效提升燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少?gòu)U氣排放量；另一方面能夠提高廢熱利用率，減少燃料消耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[關(guān)鍵詞]：混氣裝置 煙氣循環(huán) CFD模擬 熱風(fēng)燒結(jié)

引 言

燒結(jié)工藝流程是鋼鐵原料制備的關(guān)鍵工序之一，也是目前鋼鐵生產(chǎn)整個(gè)過(guò)程中煙氣污染最嚴(yán)重的工序，燒結(jié)工序排放的粉塵、SO₂、NO_X分別占鋼鐵行業(yè)排放總量的30%、50%和60%以上，同時(shí)煙氣中還含有 CO、二噁英等有害污染物^{[1] [2]}，對(duì)環(huán)境破壞力大。燒結(jié)工序會(huì)產(chǎn)生大量的燒結(jié)煙氣（約2500m³/t -s）和冷卻廢氣（約2200m³/t-s），其中約50%左右的熱能被主煙道煙氣和環(huán)冷機(jī)冷卻廢氣帶走^[3] ，造成了能源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

在鋼鐵工業(yè)追求極致能效和超低排放的背景下，燒結(jié)煙氣循環(huán)選擇性的從部分風(fēng)箱中取氣，并將廢氣返回?zé)Y(jié)臺(tái)車料面重新參與燒結(jié)過(guò)程，利用燒結(jié)煙氣中的余熱和一定量的CO，實(shí)現(xiàn)節(jié)約固體燃料消耗和減少?gòu)U氣排放量的雙重效益，受到各鋼鐵企業(yè)的青睞。《鋼鐵企業(yè)超低排放改造指南》鼓勵(lì)燒結(jié)配置煙氣循環(huán)系統(tǒng)。近幾年國(guó)內(nèi)一些鋼廠相繼投入煙氣循環(huán)工藝。然而，部分工藝由于煙氣含氧量低、煙氣成分不穩(wěn)定、水分高和硫富集等系列問(wèn)題，在實(shí)施后對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量產(chǎn)生了不利的影響，最終致使煙氣循環(huán)裝置閑置。為此，中冶南方武鋼院進(jìn)行了深入研究，旨在研究出一種穩(wěn)定可靠的煙氣循環(huán)工藝，提升燒結(jié)煙氣循環(huán)的使用效果。

圖1 煙氣循環(huán)工藝流程圖

一、工藝流程

       山西晉南鋼鐵廠3#燒結(jié)機(jī)采用中冶南方武鋼院自主研發(fā)的內(nèi)循環(huán)耦合環(huán)冷熱風(fēng)燒結(jié)的工藝路線，燒結(jié)機(jī)規(guī)模：220m²，燒結(jié)煙氣循環(huán)率30%。燒結(jié)機(jī)內(nèi)循環(huán)分別從頭部風(fēng)箱和尾部風(fēng)箱取氣，尾部風(fēng)箱煙氣匯總管上設(shè)有大煙道余熱鍋爐回收煙氣中的高溫?zé)崮埽ㄥ仩t出口溫度約200℃）,產(chǎn)生蒸汽用于拖動(dòng)主抽風(fēng)機(jī)。鍋爐換熱后的煙氣與頭部風(fēng)箱煙氣匯總后經(jīng)過(guò)主煙道進(jìn)入多管除塵器除塵，出口濃度≤300mg/Nm³，后經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)（變頻運(yùn)行）后進(jìn)入混風(fēng)裝置，與環(huán)冷機(jī)過(guò)來(lái)的熱風(fēng)進(jìn)行混合，混合后再經(jīng)過(guò)6個(gè)煙氣支管送至循環(huán)煙氣罩，循環(huán)煙氣罩安裝在燒結(jié)臺(tái)車料面上，流程圖詳見(jiàn)圖1。

引入環(huán)冷低溫?zé)煔獾哪康?，一方面提高燒結(jié)煙氣的含氧量，起到富氧的作用，另一方面利用環(huán)冷煙氣的余熱，減少環(huán)冷煙氣的排放量和熱量浪費(fèi)。因燒結(jié)機(jī)內(nèi)循環(huán)煙氣與環(huán)冷煙氣含氧量、溫度參數(shù)差別較大，具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)采用特有的混氣裝置和循環(huán)煙氣罩及分支管，用于保證送至燒結(jié)料面循環(huán)煙氣氧含量、溫度均勻分布。

為了驗(yàn)證混氣裝置的混合效果及循環(huán)煙氣罩的煙氣分布，本文采用FLUENT軟件針對(duì)混氣裝置和循環(huán)煙氣罩及分支管進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、氧含量的模擬研究。

表1                 燒結(jié)內(nèi)循環(huán)煙氣和環(huán)冷煙氣參數(shù)表

二、模型建立

1.物理模型

（1）混氣裝置

混氣裝置筒體高度29m，直徑4200mm，底部設(shè)置導(dǎo)流筒，避免2種煙氣對(duì)撞，影響混氣效果?；鞖庋b置物理模型如圖2a所示，內(nèi)循環(huán)燒結(jié)煙氣和環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)分別通過(guò)混氣裝置下部的2個(gè)進(jìn)風(fēng)口沿切線方向進(jìn)入混氣裝置，煙氣沿外壁自下而上作螺旋形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流體在向上發(fā)展流動(dòng)的過(guò)程中不斷擾動(dòng)混合，最終在出口處達(dá)到相對(duì)均勻狀態(tài)并流出，該部分模型包括兩個(gè)入口階段以及一個(gè)出口階段。

（2）循環(huán)煙氣罩及支管

a 混氣裝置物理模型                   b 循環(huán)煙氣罩及分支管物理模型

圖2 混氣裝置和循環(huán)煙氣罩的物理模型

循環(huán)煙氣罩物理模型如圖2b所示，煙氣罩長(zhǎng)度48m，寬度3.5m，弧形結(jié)構(gòu)，共有6根矩形支管均勻接入循環(huán)煙氣罩。在循環(huán)煙氣罩每個(gè)接入口處設(shè)有四個(gè)導(dǎo)流板，每個(gè)尺寸為500x1600，與水平方向夾角分別為30°，45°，60°，75°。對(duì)比加入導(dǎo)流板前后煙氣分布的均勻性。

2. 邊界條件選取

模擬計(jì)算的簡(jiǎn)化假設(shè)包括:①混氣裝置和循環(huán)煙氣罩均為絕熱壁面，不存在熱量散失；②兩種煙氣可視為不可壓縮流體，忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱；③流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的方程，湍流動(dòng)能方程k擴(kuò)散方程ε ；④流體密度采用Boussinesq假定，即密度僅隨溫度變化，與壓力無(wú)關(guān)，也不考慮煙氣中的含塵量;⑤混氣裝置和循環(huán)煙氣罩及管道密封良好，不存在漏風(fēng)現(xiàn)象?；鞖庋b置的fluent模擬計(jì)算的邊界條件見(jiàn)表2：

表2                 混氣裝置fluent模擬邊界條件

煙氣循環(huán)罩的邊界條件設(shè)置見(jiàn)表3，在設(shè)置擋板后，流體流量可能會(huì)發(fā)生些許改變，但總壁面的邊界條件不變。新加入的導(dǎo)流板邊界條件為定熱流密度為0的絕熱條件。煙氣循環(huán)罩在流量確定的情況下進(jìn)行模擬，以氧氣含量和溫度為參考指標(biāo)來(lái)檢查整個(gè)煙氣循環(huán)組分分布效果。

表3                   煙氣循環(huán)罩及分支管fluent模擬邊界條件

三、模擬結(jié)果

1.混氣裝置

燒結(jié)內(nèi)循環(huán)煙氣與環(huán)冷機(jī)煙氣沿切線方向進(jìn)入混氣筒，煙氣沿外壁自下而上作螺旋形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相互混合，使得混合煙氣中的氧含量、溫度均勻分布。為了驗(yàn)證混氣裝置的混氣效果，模擬結(jié)果如下圖3：
 

 a 氧含量分布                b 溫度分布                   c 流線分布

圖3混氣裝置氧含量、溫度、速度曲線的模擬結(jié)果

圖a和圖b表明速度和溫度在垂直方向上趨勢(shì)基本一致，都是在入口時(shí)呈現(xiàn)兩極而后逐漸均勻。圖c所示在高度上升方向上流體流動(dòng)的趨勢(shì)，因?yàn)閼T性力大于粘性力而發(fā)生水平方向的摻混，而垂直摻混效果遠(yuǎn)小于水平方向。

 a 氧含量分布                b 溫度分布

圖4 不同高度平面的氧含量和溫度分布

從圖4可以看出，隨著高度的升高，氧含量和溫度逐漸均勻。為了更直管的反映煙氣的混合情況，選取12個(gè)高度位置，分別為高度1m，3m，5m，7m，9m，11m，13m，15m，17m，19m，21m，23m。在每個(gè)高度選取S1，S2，S3，S4四條測(cè)線，測(cè)線位置如下圖3，計(jì)算這4個(gè)點(diǎn)溫度或氧含量的平均值作為該高度的溫度或氧含量值。

圖5 混氣裝置測(cè)線平面布置

圖6不同高度平面上的氧含量、溫度平均值

從圖6中可以看出，氧含量的波動(dòng)隨著高度的增加逐漸減少，從15m開(kāi)始基本趨于不變，氧含量保持在19.02%左右。溫度變化趨勢(shì)與氧含量基本一致，從15m開(kāi)始基本趨于不變，保持在211.8℃左右。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，循環(huán)煙氣氧含量控制在18％以上，既有利于燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的提高，又有助于保持或增加燒結(jié)礦產(chǎn)量^[4] [5]。循環(huán)煙氣溫度在120-250℃之間。

2.循環(huán)煙氣罩及分支管

煙氣通過(guò)混氣裝置混合均勻后，接分支管和循環(huán)煙氣罩，分支管和循環(huán)煙氣罩是要保證將煙氣均勻送至料層表面，保證垂直燒結(jié)速度一致。為了提高煙氣的均勻度，改變邊界條件，將每個(gè)支管入口定義速度入口，速度一致，使得進(jìn)入每個(gè)支管的風(fēng)量一致。在分支管與煙氣罩接口處增設(shè)導(dǎo)流板前后進(jìn)行對(duì)比模擬，模擬結(jié)果如下：

a 加擋板前溫度分布                        b 加擋板后溫度分布

圖7 加擋板后煙氣罩及支管截面上溫度分布
   
 c 加擋板前氧含量分布，%           d 加擋板后氧含量分布，%

圖8 煙氣循環(huán)罩出口截面氧含量分布

圖7中a和b分別為加擋板前后循環(huán)煙氣罩及支管豎直截面上的溫度分布趨勢(shì)。圖8中c和d分別為加擋板前后循環(huán)煙氣罩出口截面上的氧含量分布趨勢(shì)，從圖中可以看到加擋板后溫度和氧含量的均勻度有明顯提升。

3.小結(jié)

通過(guò)模擬結(jié)果可以看出：

(1) 燒結(jié)內(nèi)循環(huán)煙氣與環(huán)冷機(jī)煙氣沿切線方向進(jìn)入混氣裝置，混氣裝置底部設(shè)置導(dǎo)流筒，可以有效將兩種煙氣混合均勻。

(2)分支管和煙氣罩之間增加導(dǎo)流板可以有效提高送入料面煙氣的均勻性。另外，在循環(huán)煙氣罩及支管設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮各支管的阻力平衡，進(jìn)行必要的計(jì)算，可在支管上設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或阻力平衡器。

四、結(jié)論

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，晉南3#燒結(jié)機(jī)混氣裝置中內(nèi)循環(huán)煙氣和環(huán)冷煙氣分別沿切線方向進(jìn)入筒體，兩種煙氣可以得到有效混合，出口氧含量穩(wěn)定在19.02%左右，溫度穩(wěn)定在211.8℃附近。循環(huán)煙氣罩及支管可以保證送至燒結(jié)料面循環(huán)煙氣氧含量、溫度均勻分布，避免出現(xiàn)料層垂直燒結(jié)速度不均的情況。

項(xiàng)目投產(chǎn)后，循環(huán)煙氣的余熱可以改善燒結(jié)料層溫度分布，有利于燒結(jié)過(guò)程中液相的充分形成，燒結(jié)礦的質(zhì)量有了一定的提升，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提升至75%以上，返礦率降低1%；后續(xù)脫硫脫硝廢氣處理量降低25-30%，減小機(jī)頭電除塵器、脫硫脫硝的設(shè)備規(guī)格，降低了投資和運(yùn)行成本；充分利用了燒結(jié)煙氣中的顯熱和潛熱，有效降低了固體燃料的消耗量，噸燒結(jié)礦燃料消耗減少3-4kg。每年減少煤粉消耗7253t，減少碳排放20300t，節(jié)能減排效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 王濤，謝春帥． 燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］． 冶金能源，2020，39(2) :55－58．

[2]李超群，徐文青，朱廷鈺.燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[Ｊ]. 河北冶金，2019（S1）:1-6.

[3] 王國(guó)遙. 燒結(jié)環(huán)冷煙氣余熱梯級(jí)利用技術(shù)的探索 [J]. 燒結(jié)球團(tuán)，2018，43卷2期: 72-76.

[4]朱廷鈺，李超群，徐文青等.燒結(jié)煙氣選擇性循環(huán)技術(shù)與應(yīng)用 [J].河北冶金，2022（6）：65~69.

[5] 王兆才，胡兵，魏進(jìn)超，周志安，等.燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)方案研究[J].2017第二十一屆大氣污染物防治技術(shù)研討會(huì):280-285.