彭坤乾

（1.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司燒結(jié)球團(tuán)事業(yè)部，北京 100043；2.北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

引 言

鐵礦燒結(jié)過(guò)程排放的氣體污染物約占鋼鐵冶煉過(guò)程排放總量40%[1]，燒結(jié)廢氣產(chǎn)生的污染已經(jīng)成為制約中國(guó)鋼鐵行業(yè)持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展的一個(gè)重要因素。目前國(guó)家已提出鋼鐵行業(yè)燒結(jié)、球團(tuán)等工序超低排放限值，要求企業(yè)建立源頭減排、過(guò)程控制和末端治理的多污染物超低排放技術(shù)體系[2-5]。

燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)是利用一部分熱廢氣通過(guò)煙氣循環(huán)罩再次進(jìn)入燒結(jié)料面重新參與燒結(jié)反應(yīng)的過(guò)程控制技術(shù)，是減少煙氣排放、污染物排放和重復(fù)利用煙氣余熱和改善燒結(jié)礦質(zhì)量的一種有效途徑，該工藝已于2014年被列入國(guó)家大氣污染防治重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)清潔生產(chǎn)推廣技術(shù)之一。

國(guó)內(nèi)外大量研究主要集中在煙氣循環(huán)技術(shù)路線(xiàn)，過(guò)程反應(yīng)機(jī)理，污染物減排模型和實(shí)際應(yīng)用情況[6-14]等方面，而針對(duì)煙氣循環(huán)系統(tǒng)管道、混合器、循環(huán)煙罩等設(shè)備本身的研究并不多。許源等[15]利用CFD軟件針對(duì)煙氣分配器的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出主管管徑對(duì)各支管流量分配產(chǎn)生影響，多級(jí)變徑結(jié)構(gòu)中，流量比標(biāo)準(zhǔn)偏差最小時(shí)，各支管流量分配更均勻。任偉等[16]對(duì)沙鋼4號(hào)燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)系統(tǒng)的煙氣分配器及循環(huán)煙罩進(jìn)行數(shù)值模擬，煙氣分配器安裝在循環(huán)煙罩的上部時(shí)，循環(huán)煙氣吹掃范圍在料面寬度方向上達(dá)到完全覆蓋。楊正偉等[17]應(yīng)用流體仿真軟件，對(duì)燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)的混合器、分配器及循環(huán)罩進(jìn)行建模和流場(chǎng)仿真，得出單側(cè)進(jìn)風(fēng)方式的煙氣循環(huán)罩氣流在臺(tái)車(chē)寬度方向上偏向于另一側(cè)，需要提高煙罩高度和增設(shè)導(dǎo)流板。

煙氣循環(huán)罩架設(shè)在燒結(jié)料層上部，下出風(fēng)口緊貼燒結(jié)料層。目前國(guó)內(nèi)主要有兩種形式的煙氣循環(huán)罩，側(cè)進(jìn)風(fēng)弧形罩和頂進(jìn)風(fēng)矩形罩。側(cè)進(jìn)風(fēng)弧形罩占用燒結(jié)主廠房高度空間小，且煙氣循環(huán)技改以舊有燒結(jié)機(jī)為主，原燒結(jié)主廠房設(shè)計(jì)并未預(yù)留足夠高度空間，國(guó)內(nèi)主要為側(cè)進(jìn)風(fēng)弧形罩。側(cè)進(jìn)風(fēng)弧形罩存在弊端是內(nèi)部流場(chǎng)分布不均，循環(huán)熱風(fēng)在料層處流場(chǎng)分布不均勻，部分料層沒(méi)有循環(huán)熱風(fēng)通過(guò)，降低料面熱風(fēng)吸收量，進(jìn)而降低煙氣循環(huán)率，甚至?xí)霈F(xiàn)廢氣在煙罩邊側(cè)集聚引起外溢。料層處流場(chǎng)分布不均同時(shí)會(huì)導(dǎo)致料層燒結(jié)氣氛不均，燃燒過(guò)程不均，甚至加劇邊緣效應(yīng)，進(jìn)而影響燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量的穩(wěn)定。在精細(xì)化燒結(jié)技術(shù)大背景下，亟需研發(fā)燒結(jié)煙氣循環(huán)均氣罩，控制循環(huán)煙氣在煙氣罩內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，提升煙氣循環(huán)應(yīng)用效果，利于燒結(jié)順行。

本文針對(duì)某鋼鐵企業(yè)500 m2燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)系統(tǒng)，建立單個(gè)模塊側(cè)進(jìn)風(fēng)弧形罩物理模型、劃分網(wǎng)格、并采用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬和流場(chǎng)分析，通過(guò)組合不同型式的導(dǎo)流裝置，優(yōu)化煙罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)，控制循環(huán)煙氣在煙氣罩內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)煙氣均布于料面，提升煙氣循環(huán)應(yīng)用效果，助力于實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化燒結(jié)。

1 無(wú)導(dǎo)流煙氣循環(huán)罩模型的構(gòu)建

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

圖1為某鋼鐵企業(yè)500 m2燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)系統(tǒng)單個(gè)模塊煙氣循環(huán)罩簡(jiǎn)化后物理模型。模型弧板直徑5900 mm，寬度4000 mm，弧板下直段650 mm×4000mm，進(jìn)風(fēng)口尺寸800 mm×1500 mm，出風(fēng)口尺寸5670 mm×4000 mm，側(cè)部檔風(fēng)板尺寸115 mm×4000 mm。為分別研究導(dǎo)流板、薄壁均布孔板和導(dǎo)流筒對(duì)煙氣罩內(nèi)流場(chǎng)的影響，初始階段不配置任何導(dǎo)流裝置。

采用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，優(yōu)先采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，后期導(dǎo)流裝置比較復(fù)雜，難以用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時(shí)采用四面體和六面體混合網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格高度按照Y+值50預(yù)估，網(wǎng)格總數(shù)約200萬(wàn)。圖2為煙氣循環(huán)罩的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.6。

1.2 基本假設(shè)

因燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)比較復(fù)雜，全部煙氣罩做模擬難以保證精度，本文以單個(gè)煙氣罩模塊為研究對(duì)象，研究煙氣罩內(nèi)流場(chǎng)分布和出風(fēng)口風(fēng)流均布情況，在保證模擬精度條件下做如下假設(shè)：

（1）循環(huán)罩煙氣出口即燒結(jié)料層入口，料層表面高度均勻，表壓一致；

（2）因系統(tǒng)負(fù)壓很低，循環(huán)煙氣按不可壓縮流體考慮；

（3）不考慮系統(tǒng)換熱，并忽略煙氣中顆粒物對(duì)流場(chǎng)的影響。

1.3 控制方程

根據(jù)表1，煙氣入口、出口雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于4000，煙罩內(nèi)氣體流動(dòng)為湍流，采用工業(yè)應(yīng)用廣泛的基于雷諾平均RANS標(biāo)準(zhǔn)型k-epsilon渦黏模型，近壁面采用壁面函數(shù)法。主要求解方程如下：

表1 煙氣進(jìn)出口參數(shù)

連續(xù)性方程的微分形式：

式中ρ為流體密度，kg/m3；v為流速矢量場(chǎng)，m/s；?為哈密爾頓算子；Sm為源相，是從分散的二級(jí)相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量，本系統(tǒng)Sm=0。

根據(jù)基本假設(shè)，流體是不可壓縮流，則流體密度ρ為常數(shù)，連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為方程（2），即在流體所有位置，速度場(chǎng)的散度等于零。

動(dòng)量方程的微分形式：

式中p為流體壓力，Pa；?2為拉普拉斯算子；μ為黏度系數(shù)，Pa·s；F為體積力，包括重力、慣性力、電磁力等，N/m3。

1.4 煙氣條件及邊界條件

單風(fēng)箱循環(huán)罩煙氣進(jìn)出口參數(shù)如表1所示。

單風(fēng)箱循環(huán)罩邊界條件如表2所示，煙氣入口速度7.716 m/s，煙氣出口表壓-20 Pa。

表2 邊界條件

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用方差來(lái)描述某一截面物理參數(shù)的均布情況，方差越小，越接近0，表明分布越均勻，如下式：

式中s2為方差；為離散點(diǎn)物理參數(shù)平均值；xi為各離散點(diǎn)物理參數(shù)值。

2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)流場(chǎng)仿真結(jié)果，截取了煙氣循環(huán)罩進(jìn)氣中心截面和罩內(nèi)兩個(gè)水平截面的速度云圖，水平截面位置分別高于煙氣出口料面1 m和2 m，并繪制了煙氣出口（燒結(jié)料面）處的三維速度云圖，如圖3所示。在無(wú)任何導(dǎo)流裝置的側(cè)進(jìn)風(fēng)弧型罩內(nèi)，為防止煙氣沿弧形罩直接流出臺(tái)車(chē)外側(cè)，配置了側(cè)部擋風(fēng)板，控制煙氣出口尺寸小于燒結(jié)料面。根據(jù)截面速度云圖，煙氣分布非常不均，由于慣性作用直接沖向進(jìn)氣口對(duì)面?zhèn)然⌒握謧?cè)壁，并沿著弧形板往下沖擊側(cè)部檔風(fēng)板，然后從進(jìn)氣中心截面右側(cè)窄條區(qū)域大量排出，并在左半?yún)^(qū)形成回流。煙罩內(nèi)最高流速9.87 m/s，煙氣出口最高流速6.2152 m/s，速度方差1.8333。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案與仿真分析

3.1 增加固定弧形導(dǎo)流板

針對(duì)無(wú)任何導(dǎo)流裝置的側(cè)進(jìn)風(fēng)弧型罩內(nèi)流場(chǎng)分布不均勻問(wèn)題，在煙氣入口和煙氣罩弧板交接位置增加3塊固定弧形導(dǎo)流板，如圖4所示，將入口煙氣分為4層進(jìn)行整流，上層導(dǎo)流板間距略小于下層間距，導(dǎo)流板弧度從上往下逐漸變大。優(yōu)化后的截面速度云圖如圖5所示，罩內(nèi)流場(chǎng)分布改善明顯，在煙氣出口X=-1 m和Z=0 m位置形成1個(gè)煙氣主峰，煙罩右側(cè)壁形成2個(gè)煙氣副峰，導(dǎo)流板上部流速偏高，主要煙氣整體偏向于煙罩右側(cè)。煙罩內(nèi)最高流速10.13 m/s，煙氣出口最高流速5.8365 m/s，下降了6.09%；速度方差1.5135，下降了17.44%。

3.2 增加活動(dòng)導(dǎo)流板

針對(duì)增加固定弧形導(dǎo)流板后，流場(chǎng)分布仍整體偏向于煙罩右側(cè)問(wèn)題，在煙氣入口前端增加2塊活動(dòng)導(dǎo)流板，如圖6所示?；顒?dòng)導(dǎo)流板可根據(jù)入口風(fēng)量、風(fēng)流偏析情況，手動(dòng)調(diào)整與水平面的夾角，控制進(jìn)入固定弧形導(dǎo)流板上下4層煙氣的流量。本模擬上導(dǎo)流板與水平面夾角設(shè)置為10°，下導(dǎo)流板與水平面夾角設(shè)置為15°。優(yōu)化后的截面速度云圖如圖7所示，罩內(nèi)流場(chǎng)分布有所改善，在煙氣出口X=0 m和Z=0 m位置形成1個(gè)煙氣主峰，煙氣主峰移至煙罩中心區(qū)域，煙罩右側(cè)壁形成2個(gè)煙氣副峰高度有所下降，固定弧形導(dǎo)流板上部流速下降，主要煙氣分布于煙罩中部，部分偏向于煙罩右側(cè)。煙罩內(nèi)最高流速11.18 m/s，煙氣出口最高流速5.93 m/s，提高了1.6%；速度方差1.524，提高了0.7%。雖然煙氣出口最大流速和方差比直接采用固定弧形導(dǎo)流板情況略高，但由于煙氣主峰朝著中心區(qū)域移動(dòng)，更利于熱風(fēng)燒結(jié)過(guò)程穩(wěn)定。

3.3 增加固定立式導(dǎo)流板

通過(guò)活動(dòng)導(dǎo)流板整流后，出口煙氣主峰在煙罩中心區(qū)域，但存在中心區(qū)域風(fēng)量大、峰值高、風(fēng)流過(guò)于集中的問(wèn)題。為此，在固定弧形導(dǎo)流板處增加2個(gè)立式導(dǎo)流板，如圖8所示，將進(jìn)口中心煙氣進(jìn)行分流，緩解中心區(qū)域風(fēng)流集中問(wèn)題。優(yōu)化后的截面速度云圖如圖9所示，罩內(nèi)流場(chǎng)分布改善明顯，在煙氣出口形成2個(gè)煙氣主峰，煙氣出口最高流速和方差下降明顯，煙罩右側(cè)壁形成煙氣副峰區(qū)域連在一起比較平緩。主要煙氣分布于煙罩中部，相對(duì)均勻，部分偏向于煙罩右側(cè)。煙罩內(nèi)最高流速13.06 m/s，煙氣出口最高流速4.7175 m/s，下降了20.45%；速度方差1.1204，下降了26.48%。

3.4 增加薄壁均布孔板

雖然通過(guò)增加固定弧形導(dǎo)流板、活動(dòng)導(dǎo)流板和固定立式導(dǎo)流板形式對(duì)煙罩內(nèi)氣流進(jìn)行整流，流場(chǎng)分布明顯改善，但仍然存在煙氣在煙罩中部集中且部分偏向于右側(cè)問(wèn)題。為此，在煙氣出口上方1.95 m處增加薄壁均布孔板，如圖10所示，共布置7×9個(gè)均布孔，孔直徑200 mm。仿真后的截面速度云圖如圖11所示，罩內(nèi)流場(chǎng)分布變化巨大，煙氣出口最高流速和速度方差急劇下降，煙罩內(nèi)最高流速11.36 m/s，煙氣出口最高流速3.1123 m/s，下降了34.03%；煙氣出口速度方差0.4516，下降了59.70%。薄壁均布孔板明顯改變煙氣水平流動(dòng)情況，煙氣在觸及均布孔外部實(shí)體板時(shí)，會(huì)改變氣流向周?chē)鷶U(kuò)散，氣流以一定的水平角度穿過(guò)孔板，無(wú)法形成垂直于孔板的理想均布流場(chǎng)。煙罩中部區(qū)域煙氣出口主峰消失，在煙罩中部區(qū)域內(nèi)圈形成低速洼地，煙罩側(cè)邊煙氣流速高增加了外溢的可能性，且主要煙氣出口分布仍偏向于煙罩右側(cè)，雖然煙氣出口最高流速和速度方差急劇下降，不是煙氣循環(huán)所需的理想流場(chǎng)分布。

3.5 增加均布導(dǎo)流筒

采用薄壁均布孔板雖然氣出口最高流速和速度方差急劇下降，但存在煙罩側(cè)邊煙氣流速高、中部區(qū)域內(nèi)圈形成低速洼地和氣流仍偏向于煙罩右側(cè)的問(wèn)題。為此，將薄壁均布孔板替換為導(dǎo)流筒，在煙氣出口上1.75～1.95 m范圍內(nèi)布置7×9個(gè)均布導(dǎo)流筒，孔直徑200 mm，如圖12所示。優(yōu)化后的截面速度云圖如圖13所示，煙氣出口最高流速和速度方差急劇下降，罩內(nèi)流場(chǎng)分布比較理想，在煙氣出口中部區(qū)域形成均勻煙氣群峰，煙罩側(cè)壁區(qū)域煙氣流速較低，利于控制煙氣外溢，且煙氣偏向于煙罩右側(cè)問(wèn)題得到有效解決。與采用固定弧形導(dǎo)流板、活動(dòng)導(dǎo)流板和固定立式導(dǎo)流板組合對(duì)比，煙罩內(nèi)最高流速11.09 m/s，下降了15.08%；煙氣出口最高流速3.0256 m/s，下降了35.86%；速度方差0.2392，下降了78.65%。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析與應(yīng)用展望

通過(guò)上述煙氣循環(huán)罩無(wú)導(dǎo)流板（Ⅰ）、固定弧形導(dǎo)流板（Ⅱ）、活動(dòng)導(dǎo)流板（Ⅲ）、立式導(dǎo)流板（Ⅳ）、薄壁均布孔板（Ⅴ）和均布導(dǎo)流筒（Ⅵ）的組合形成6種方案，并進(jìn)行了循環(huán)煙罩內(nèi)流場(chǎng)仿真模擬，不同方案下煙氣出口最大流速和方差如圖14所示。

分析可得煙氣出口最大速度和速度方差呈現(xiàn)一致變化趨勢(shì)，隨著導(dǎo)流板、均布孔板和導(dǎo)流筒的增加，煙氣出口最大速度和速度方差下降明顯。采用方案6效果最明顯，與方案1相比分別降低了51.32%和86.95%。根據(jù)不同方案在煙氣出口最大速度和速度方差的差值進(jìn)行分析，影響煙氣循環(huán)罩出口均勻性的重要性排序如下：均布導(dǎo)流筒（Ⅵ）＞薄壁均布孔板（Ⅴ）＞立式導(dǎo)流板（Ⅳ）＞固定弧形導(dǎo)流板（Ⅱ）＞活動(dòng)導(dǎo)流板（Ⅲ）。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，煙氣循環(huán)風(fēng)量可能在燒結(jié)生產(chǎn)不同時(shí)期偏離煙罩設(shè)計(jì)風(fēng)量，造成實(shí)際出口流場(chǎng)出現(xiàn)偏析?？筛鶕?jù)偏析方向，調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)流板（Ⅲ）與水平面的夾角，控制主流煙氣回到煙罩中心區(qū)域，提高出口均勻性，避免煙氣在煙罩側(cè)部匯集造成外溢。

中南大學(xué)范曉慧等[5]根據(jù)燒結(jié)煙氣組成特征，將燒結(jié)劃分為五個(gè)區(qū)域，建立燒結(jié)煙氣循環(huán)污染物減排和廢熱回收精細(xì)化模式，在合適的循環(huán)氣體成分和溫度條件下，煙氣循環(huán)率最高可達(dá)到41.9%，NOx和SO2排放分別減少28.6%和8.15%。精細(xì)化的高循環(huán)率煙氣循環(huán)技術(shù)要求循環(huán)煙氣罩出口流場(chǎng)更均勻，料面得以吸收更多的循環(huán)熱風(fēng)，但國(guó)內(nèi)普遍采用的常規(guī)煙氣循環(huán)罩難以滿(mǎn)足要求。另外，燒結(jié)新技術(shù)也由單向技術(shù)應(yīng)用向多項(xiàng)技術(shù)耦合應(yīng)用發(fā)展，如燒結(jié)料面氫系燃?xì)鈬姶蹬c熱風(fēng)燒結(jié)耦合，富氧燒結(jié)與熱風(fēng)燒結(jié)耦合等，都對(duì)煙氣循環(huán)罩出口流場(chǎng)均勻性提出了更高的要求。因此，基于流場(chǎng)仿真開(kāi)發(fā)煙氣循環(huán)均氣罩具有廣闊應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

（1）在無(wú)任何導(dǎo)流裝置的側(cè)進(jìn)風(fēng)弧型罩內(nèi)，煙氣流場(chǎng)分布非常不均，從進(jìn)氣中心截面右側(cè)窄條區(qū)域大量排出，并在左半?yún)^(qū)形成回流。煙罩內(nèi)最高流速9.87 m/s，煙氣出口最高流速6.2152 m/s，速度方差1.8333。

（2）采用固定弧形導(dǎo)流板（Ⅱ）、活動(dòng)導(dǎo)流板（Ⅲ）、立式導(dǎo)流板（Ⅳ）和均布導(dǎo)流筒（Ⅵ）組合，煙氣出口中部區(qū)域形成均勻煙氣群峰，煙罩側(cè)壁區(qū)域煙氣流速較低，煙氣整體無(wú)偏析，流場(chǎng)分布最理想。煙氣出口最高流速3.0256 m/s，速度方差0.2392，與無(wú)導(dǎo)流板相比分別降低了51.32%和86.95%。

（3）不同方案下煙氣出口最大速度和速度方差的變化趨勢(shì)相同，根據(jù)差值大小進(jìn)行分析，影響煙氣循環(huán)罩出口均勻性的重要性排序如下：均布導(dǎo)流筒（Ⅵ）＞薄壁均布孔板（Ⅴ）＞立式導(dǎo)流板（Ⅳ）＞固定弧形導(dǎo)流板（Ⅱ）＞活動(dòng)導(dǎo)流板（Ⅲ）。

（4）開(kāi)發(fā)基于流場(chǎng)仿真的煙氣循環(huán)均氣罩，在精細(xì)化的高循環(huán)率燒結(jié)煙氣循環(huán)、燒結(jié)氫系燃?xì)饬厦鎳姶蹬c熱風(fēng)燒結(jié)耦合和富氧燒結(jié)與熱風(fēng)燒結(jié)耦合等對(duì)均勻性要求比較高技術(shù)上具有廣闊應(yīng)用前景。