彭仁忠 陽習(xí)端 郭 亮 肖偉平

(湖南華菱鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，長沙 410004)

鋼鐵生產(chǎn)過程中，燒結(jié)工序是高爐礦料入爐以前的準(zhǔn)備工序，其能耗較高，約占整個(gè)鋼鐵企業(yè)能耗的10%。燒結(jié)工序中約50%左右的熱量被燒結(jié)煙氣和冷卻機(jī)廢氣帶走[1-2]。2020年，我國燒結(jié)礦產(chǎn)量接近10 億t，燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱主要用于發(fā)電，理論上燒結(jié)余熱發(fā)電噸礦發(fā)電量超過20 kW·h(入爐量)，但實(shí)際應(yīng)用中噸礦發(fā)電量普遍在10～15 kW·h左右[3-5]，回收利用水平不高，距離理想的噸礦發(fā)電量有不小差距，造成燒結(jié)余熱利用不充分。如果將燒結(jié)余熱發(fā)電噸礦提升5 kW·h，每年全國燒結(jié)余熱回收折算發(fā)電提升量將近50 億kW·h，提升潛力大。因此，進(jìn)一步挖掘燒結(jié)余熱發(fā)電的潛力，提高燒結(jié)過程余熱的回收利用率，對減少碳排放從而實(shí)現(xiàn)我國雙碳目標(biāo)、降低整個(gè)鋼鐵企業(yè)的能耗和提高企業(yè)競爭力等方面均具有十分重要的意義。

漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司的130、180及280三條燒結(jié)線配套安裝了一套余熱發(fā)電系統(tǒng)，為三爐一機(jī)配置，裝機(jī)18 MW，經(jīng)過近幾年的運(yùn)行和挖潛，280余熱電站日發(fā)電量約為30萬kW·h左右，冬季平均日發(fā)電量約為28 萬kW·h，夏季日發(fā)電量可達(dá)32～33 萬kW·h。2019年燒結(jié)礦產(chǎn)量為6 045 920 t，發(fā)電量為10 235 萬kW·h，平均噸礦發(fā)電量為16.93 kW·h。電站的年平均負(fù)荷不超過12 MW，約為設(shè)計(jì)負(fù)荷的66%。余熱發(fā)電電站在噸礦發(fā)電量及設(shè)備配置容量方面均有較大提升空間。基于此，漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司(以下簡稱“公司”)在2020年12月，采用階梯式自密封余熱回收技術(shù)對280燒結(jié)線余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，通過安裝“階梯式自密封余熱回收系統(tǒng)”，使環(huán)冷機(jī)礦料均勻冷卻，確保余熱煙氣的梯級回收，減少環(huán)冷機(jī)內(nèi)部高溫?zé)煔獾膿p失，提高燒結(jié)礦余熱利用率。采用CFD 計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent 6.3對改造前后的系統(tǒng)內(nèi)的氣體流場、溫度場、壓力分布和煙氣流量分布等進(jìn)行模擬，分析改造后的效果。

1 原燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收系統(tǒng)存在問題分析及技術(shù)改造方法

1.1 改造前環(huán)冷機(jī)余熱回收系統(tǒng)存在問題分析

公司燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收系統(tǒng)存在的主要問題為：

1)環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)煙罩內(nèi)熱煙氣局部有漩渦，余熱煙氣集中在抽吸口處，且煙氣速度分布紊亂，造成熱風(fēng)煙罩內(nèi)的煙氣流動紊亂。

2)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)煙罩長寬比較大，現(xiàn)有余熱回收系統(tǒng)利用在環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)煙罩上有2～4個(gè)吸風(fēng)口，引風(fēng)機(jī)將煙氣引入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽發(fā)電。點(diǎn)抽吸使煙罩內(nèi)煙氣壓力分布不平衡，造成下部穿透礦料的冷卻風(fēng)分布也不均勻，甚至出現(xiàn)部分位置冷卻風(fēng)換熱不充分和風(fēng)道短路情況，影響冷卻效率和余熱回收效率。

3)熱風(fēng)煙罩是固定的，而環(huán)冷機(jī)臺車是運(yùn)動的，因此環(huán)冷機(jī)臺車和環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)煙罩于之間存在縫隙[6]。針對縫隙雖然做了機(jī)械密封，但只是減小漏風(fēng)面積，且端頭無法做到密封。這就導(dǎo)致了每個(gè)吸風(fēng)口附近在吸入熱煙氣的同時(shí)也從縫隙中吸入了外部冷空氣；而遠(yuǎn)離抽氣口的煙罩內(nèi)的熱煙氣則不能全部被吸到吸入口，部分熱煙氣從縫隙往外冒，導(dǎo)致整體熱煙氣溫度降低。熱煙氣的品質(zhì)下降引起余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽量的減少及品質(zhì)下降。

1.2 環(huán)冷機(jī)余熱回收系統(tǒng)技術(shù)改造方法

采用階梯式自密封余熱回收技術(shù)對環(huán)冷機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，具體是在現(xiàn)有環(huán)冷機(jī)余熱回收煙罩內(nèi)增設(shè)煙氣流場調(diào)整裝置，使熱風(fēng)煙罩內(nèi)的煙氣流場更有利于燒結(jié)礦料的均勻冷卻，同時(shí)讓系統(tǒng)定向抽吸品質(zhì)更高的熱煙氣，提高進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣熱量及系統(tǒng)的熱效率。

2 模擬改造前后流場分布及效果分析

2.1 環(huán)冷機(jī)物理模型

選擇公司280燒結(jié)環(huán)冷機(jī)生產(chǎn)線為研究對象，采用CFD軟件對改造前后流場進(jìn)行模擬，所建物理模型如圖1所示。

圖1 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)物理模型Fig.1 Physical model of sintering ring cooler

環(huán)冷機(jī)屬于龐大的工業(yè)設(shè)備，燒結(jié)礦的冷卻過程涉及到復(fù)雜的氣體湍流流動及氣固換熱過程，其中集氣罩是余熱回收利用的主要設(shè)備，通過匯集來自燒結(jié)礦的熱空氣，將熱空氣送往余熱鍋爐，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)余熱的回收[7-9]。在保證求解精度和反映主要規(guī)律的前提下，需對環(huán)冷機(jī)進(jìn)行如下簡化處理：

1)環(huán)冷機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，各操作參數(shù)不隨時(shí)間而改變。

2)將燒結(jié)礦區(qū)域視為多孔介質(zhì)。

3)空氣與燒結(jié)礦的物性參數(shù)與溫度呈函數(shù)關(guān)系。

4)由于多孔介質(zhì)的三維輻射換熱計(jì)算非常復(fù)雜，且輻射換熱占比不大，因此忽略燒結(jié)礦顆粒間的輻射換熱，只考慮燒結(jié)礦固體顆粒間的導(dǎo)熱過程，空氣間的導(dǎo)熱過程，空氣與燒結(jié)礦固體顆粒間的對流換熱過程。

2.2 模擬結(jié)果對比分析

基于 CFD 計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent 6.3，按漣鋼280燒結(jié)環(huán)冷機(jī)實(shí)際尺寸建立其流體流場和燒結(jié)礦冷卻過程的數(shù)值仿真模型。

1)流場分布對比

圖2中顏色標(biāo)出部分為縫隙處冷風(fēng)滲入位置，未標(biāo)出為熱風(fēng)外漏位置。從圖2可以看出，采用階梯式自密封技術(shù)改造后，冷風(fēng)滲入?yún)^(qū)域明顯減小。

圖2 改造前后煙罩冷風(fēng)滲透分布圖Fig.2 Cold air infiltration distribution of smoke hood before and after transformation

2)溫度場對比

圖3為階梯式自密封余熱回收技術(shù)改造前后的溫度分布圖。從圖3可以看出，通過階梯式自密封余熱回收技術(shù)改造后，溫度分布較改造前更均勻，且高溫分布段大于改造前，改造后的溫降梯度要好于改造前的，熱風(fēng)整體平均溫度也比改造前稍高。

圖3 改造前后煙罩溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution diagram of smoke hood before and after transformation

3)壓力分布對比

圖4為改造前后的煙罩內(nèi)壓力分布圖。從圖4可以看出，通過階梯式自密封余熱回收技術(shù)改造后，壓力分布較改造前更均勻，各處的壓力偏差值小于改造前。

圖4 改造前后煙罩內(nèi)壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution in smoke hood before and after transformation

4)煙氣流量分布對比

改造前后冷卻煙氣在臺車和煙罩內(nèi)流動的數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖5所示。從圖5可以看出，改造前煙罩內(nèi)單位面積的煙氣流量沿?zé)熣珠L度分布非常不均勻，在抽口附近位置流量最大，離抽口較遠(yuǎn)位置流量下降非常明顯。煙氣流量圖表示在抽口位置形成較大煙氣流量峰值，在遠(yuǎn)離抽口位置形成較小煙氣流量峰值，所構(gòu)成風(fēng)量有效面積較小，煙氣焓無法均衡回收利用。改造后煙罩內(nèi)煙氣流量沿?zé)熣珠L度方向趨于平穩(wěn)，煙氣流量變化值較小，流量曲線構(gòu)成的煙氣流量有效面積較改造前明顯增加，煙氣焓實(shí)現(xiàn)均衡回收利用。模擬計(jì)算表明，通過改造裝置實(shí)現(xiàn)冷卻煙氣均勻冷卻礦料，并通過煙罩均勻地抽吸至煙管以供余熱鍋爐回收利用，實(shí)現(xiàn)余熱煙氣高效回收與利用。

圖5 改造前后沿環(huán)冷機(jī)煙罩長度上煙氣流量對比Fig.5 Comparison of flue gas flow along the length of annular cooler hood before and after transformation

2.3 測量結(jié)果分析

測量煙罩內(nèi)側(cè)煙氣溫度和煙罩內(nèi)的煙氣壓力(測點(diǎn)位置為距臺車上沿500 mm，距煙罩外側(cè)800 mm)。將安裝煙風(fēng)抽吸裝置前后的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，余熱回收流場的溫度分布和壓力分布情況如圖6和圖7所示。

圖6 改造前后煙罩內(nèi)的溫度分布對比Fig.6 Comparison of temperature distribution in smoke hood before and after transformation

圖7 改造前后煙罩內(nèi)的壓力分布對比Fig.7 Comparison of pressure distribution in smoke hood before and after transformation

通過對相同運(yùn)行工況多次測量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，改造前1#段煙氣的平均溫度為382 ℃，2#段煙氣的平均溫度為241 ℃，平均中壓蒸汽產(chǎn)量為16.1 t/h，改造后1#段煙氣的平均溫度為401 ℃，2#段煙氣的平均溫度為272 ℃，平均中壓蒸汽產(chǎn)量為19.4 t/h，改造后煙罩內(nèi)的平均溫度和平均中壓蒸汽產(chǎn)量更高，煙罩內(nèi)煙氣的壓力分布更均勻。

3 設(shè)備改造前后發(fā)電對比

280燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱發(fā)電提升改造設(shè)備從2020年12月1日開始，與3條燒結(jié)線檢修同步安裝，于2021年1月3日全部安裝完成。經(jīng)過調(diào)試后，在130、180、280三條燒結(jié)線上料量基本達(dá)到額定上料量的情況，余熱電站的發(fā)電量有了明顯提升。選取調(diào)試期間1月14日至1月16日3天的發(fā)電情況與改造前2020年11月份的進(jìn)行比較。2020年11月份280電站日發(fā)電量波動較大，日平均發(fā)電量25.44 萬kW·h，為了使比較結(jié)果更有說服力，剔除11月份日發(fā)電量波動下降大的日期，選取圖8中發(fā)電水平較高的日期作為比較的基數(shù)，選中日期中，280電站日平均發(fā)電量31.19 萬kW·h，如圖8所示。

圖8 電站日均發(fā)電量(2020年11月)Fig.8 Average daily power generation of the power station (November 2020)

改造后2021年1月14日至1月16日期間，在130、180燒結(jié)上料量為620 t/h，280燒結(jié)上料量為540 t/h的情況下，三天的發(fā)電量為107.48 萬kW·h，日均發(fā)電量35.83 萬kW·h。余熱電站最高出力超過額定18 MW，突破歷史新高。

4 結(jié)論

采用梯式自密封余熱回收技術(shù)對燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，有利于調(diào)整余熱回收段的煙氣流場，使燒結(jié)礦的熱量更好地置換出來，提高了余熱回收的熱效率。在相同條件下，提高了余熱回收煙氣的溫度，余熱電站的日發(fā)電量提升明顯，可取得很好的節(jié)能減排效果，有助于實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。