摘要建立了燒結礦冷卻過程的多孔介質模型，探討了燒結礦熱物性參數分別采用經驗值和實驗值對數值模擬的影響，分析了不同的燒結礦粒徑和不同入口風溫工況下的出口熱廢氣對余熱發電量的影響。結果表明:使用熱物性參數實驗值對料層溫度的模擬結果與熱物性參數經驗值模擬結果差距較大，實驗值模擬結果更接近實際運行工況;在余熱發電方面，燒結礦粒徑越小、冷卻風溫越高，噸礦余熱發電量越大。燒結礦粒徑為50mm時比粒徑為60mm時噸礦發電量提高了8.66%;入口風溫為583K時比入口風溫為553K時噸礦發電量提高了7.81%。

　　關鍵詞燒結礦環冷機多孔介質數值模擬余熱發電

　　鋼鐵工業作為國民經濟的基礎原材料產業，在經濟發展中具有重要地位。我國作為鋼鐵生產大國，其能耗占全國能源消耗總量的25%以上[1]。在鋼鐵企業中，燒結工序能耗約占整個鋼鐵流程能耗的18%[2-3]，是僅次于煉鐵的第二大耗能工序。而在燒結工序中約有一半左右的熱能被燒結過程產生的煙氣和冷卻機廢氣帶走。其中，燒結機煙氣帶走的余熱量占燒結工序能耗的13%～23%，環冷機廢氣帶走的余熱量占燒結工序能耗的20%～25%[4]，不僅浪費了大量的余熱資源，還對環境造成污染。為了保護環境和節約能源，必須要對環冷機廢氣余熱進行有效回收。目前余熱利用的主要方式有余熱發電、產生蒸汽、熱風燒結和預熱混合料。

　　工業論文投稿刊物：《節能技術》雜志是1983年由國防科工委批準創辦的技術理論與應用綜合類刊物。

　　一般認為，利用余熱生產蒸汽帶動汽輪機發電是較為先進高效的余熱利用技術[5]。吳禮忠等[6]通過數值模擬研究了燒結礦冷卻過程氣-固換熱規律，考慮余熱回收效率的同時優化了料層厚度和給料溫度。倪鯤鵬[7]通過查閱資料，建立了環冷機冷卻工藝的數學模型，采用燒結礦熱物性經驗值研究了環冷機內部流動過程和傳熱傳質過程。賴坤[8]基于局部熱平衡理論，采用燒結礦變熱物性參數研究了環冷機內氣固的傳熱與流動問題。Pelagagge等[9-10]建立了集熱罩不同布置形式時燒結礦余熱回收方程，比較集熱罩不同布置形式不同工況參數條件下的余熱回收量，通過控制環冷機鼓風量優化燒結礦的冷卻過程，使燒結礦余熱回收量最大化。

　　然而，目前的研究中熱物性參數大多采用鋼廠參考值，且多為定值，但實際過程中，這些參數會隨溫度不斷變化，導致模擬結果與實際過程產生較大偏差。此外，目前的多數研究是針對鼓風量的變化對出口熱風溫度的影響展開的，且多是研究環冷機的最優參數。因此，文章以高溫熱廢氣的余熱回收分析為背景，針對燒結礦冷卻數值模擬過程中存在的問題，以實驗的物性參數代替經驗值，驗證模型的準確性。根據所建立的準確模型，分析燒結礦粒徑和入口風溫兩個因素對熱廢氣余熱發電量的影響。在保證燒結礦冷卻的同時還能高效回收燒結礦顯熱，對鋼鐵企業的綠色低碳和可持續發展具有重要意義。

　　1模型建立

　　1.1物理模型

　　文章以某企業396m2的環冷機為研究對象，將環冷機分為5段。鼓風機通過強制鼓風，使冷卻空氣自下而上穿過料層，帶走熱量。臺車在軌道上勻速運動，環冷機床層可視為由多個固定床銜接而成[11]。在進行數值模擬之前需要對物理模型進行如下簡化[12-13]:(1)冷卻風經風道均勻進入高溫燒結礦底部;(2)臺車在軌道上勻速運動，各臺車內的燒結礦依次勻速經過每個風道，各臺車內的燒結礦冷卻過程一樣，是均勻對稱的;(3)沿臺車運動方向無熱量和質量傳輸。根據某鋼廠環冷機參數及以上假設，建立環冷機二維非穩態傳熱模型。

　　1.2數學模型

　　燒結礦冷卻過程中氣體通過燒結礦屬于標準的流體通過固體填充層的流動，是典型的多孔介質流-固耦合流動。其控制方程包括連續性方程、動量守恒方程和燒結礦固體及冷卻空氣的能量守恒方程。

　　1.3初始及邊界條件

　　空氣從燒結臺車底部被鼓風機吹入，流經燒結礦層進行換熱后在臺車頂部排出。臺車底部設置為空氣入口，其流體速度和初始溫度由實際工況給定。臺車頂部設置為壓力出口，出口的回流壓力和回流溫度由實際工況給定。冷卻入口段的壁面設置為絕熱邊界;多孔介質段和熱廢氣出口段的壁面設置為定熱流邊界。燒結礦的初始溫度為1073K，平均粒徑為60mm，入口平均風溫為553K。

　　2熱電轉換原理

　　出口熱廢氣余熱進行發電的系統。其中，鍋爐系統中工質為水，燒結礦冷卻過程中產生的高溫熱廢氣與水進行換熱，產生高溫高壓蒸汽，產生的蒸汽再用于推動汽輪機進行發電。做功后的乏汽排入凝汽器中凝結成水，再利用給水泵將凝結水輸送到余熱鍋爐中用于產生蒸汽，形成汽-水循環。而在余熱鍋爐中，鍋爐給水在省煤器中完成預熱任務，使水溫升高到接近飽和溫度，預熱熱量由經蒸發器換熱后的燒結熱廢氣提供;在蒸發器中，水由液相變為飽和蒸汽狀態，熱量由經換熱器換熱后的燒結熱廢氣提供。在過熱器中飽和蒸汽被加熱升溫為過熱蒸汽，熱量由燒結熱廢氣直接提供。

　　3結果與討論

　　溫度曲線幾乎完全平行，料層高度對溫度的影響較小，與實際生產偏差較大，3500s冷卻過程結束。而使用熱物性參數實驗值對料層溫度模擬結果與經驗熱物性參數模擬結果差距較大，各料層高度溫度曲線斜率均有所不同，底部300mm料層降溫較快，600～1200mm降溫趨勢相似，而出口煙氣溫度受到下方料層高溫煙氣影響，降溫曲率較小，降溫過程持續到3800s。在600～800K區間范圍內降溫速率最快，這和燒結礦的等效導熱系數相關。等效導熱系數在此溫度區間內能到達峰值，因此燒結礦降溫速率最快。使用實驗參數模擬結果溫度曲線更為平滑，使用經驗參數模擬結果溫度明顯偏高，對比實際生產工況，燒結礦的物性參數采用實驗值進行模擬更貼近鋼廠實際情況，模型更具可靠性。

　　3.1余熱發電量的分析

　　環冷機高溫段的主要熱回收方式為通過余熱鍋爐進行發電，文章利用上述已驗證的模型及熱電轉換原理，在燒結礦平均粒徑和入口平均風溫的基礎上研究這兩個因素的變化對余熱發電量的影響。根據鋼廠的實際運行工況，環冷機一段、二段熱廢氣流量為804312m3/h。

　　3.1.1燒結礦粒徑對余熱發電量的影響

　　通過查空氣焓濕表、未飽和蒸汽和過熱蒸汽焓圖[17]，計算各工況下的噸礦發電量和噸礦廢氣含熱量，計算其熱電轉換效率。不同燒結礦粒徑條件下的燒結礦噸礦發電量及熱電轉換效率計算。燒結礦粒徑越小，噸礦發電量越大，熱電轉換效率越高。燒結礦粒徑為50mm時噸鋼發電量比鋼廠運行工況粒徑為60mm時噸礦發電量提高8.66%。

　　3.1.2入口風溫對余熱發電量的影響

　　不同入口風溫條件下的燒結礦噸礦發電量及熱電轉換效率計算。入口風溫越高，噸礦發電量越大，熱電轉換效率越高，在滿足冷卻條件的前提下，鋼廠運行工況冷卻風溫選擇583K比冷卻風溫為553K時噸礦發電量提高7.81%。

　　4結論

　　建立了環冷機臺車內燒結礦冷卻的氣固換熱模型，利用實驗測量得出的燒結礦熱物性參數和經驗值進行對比，并在該模型的基礎上分析了燒結礦粒徑和入口風溫等因素對余熱發電量的影響，得出以下結論:

　　(1)燒結礦冷卻過程中熱物性參數隨溫度不斷變化，利用其實驗值和經驗值對所建模型進行驗證。兩者的溫度曲線斜率相差較大，采用實驗值模擬結果更接近實際運行工況，模型更具可靠性。

　　(2)燒結礦粒徑和入口風溫是影響余熱發電量的主要因素。在平均粒徑的基礎上增加或減小粒徑，研究其對余熱發電量的影響。燒結礦粒徑越小，噸礦余熱發電量越大，熱電轉換效率越高，粒徑為50mm時比實際運行工況60mm時噸礦發電量提高8.66%。

　　(3)入口風溫不同，出口熱廢氣的溫度不同。在入口平均風溫的基礎上升高或降低風溫，研究其對余熱發電量的影響。入口風溫越高，噸礦余熱發電量越大，熱電轉換效率越高，冷卻風溫選擇583K時比實際運行工況553K時噸礦發電量提高7.81%。對燒結礦冷卻過程不同工況進行模擬以找到最佳運行參數，不僅可以節約能源、保護環境，還可起到降低成本的作用。

　　參考文獻

　　[1]EstrupC.Energyconsumptionanalysisbyapplicationofnationalinput-outputtables[J].IndustrialMarketingManagement，1974，3(4):193-209.

　　[2]WuYS.Sinteringwasteheatrecoverytechnology.EnergyConserveTechnol，1990(4):44.

　　[3]WangZP，HuXM.Aboutthestatusanddevelopmenttrendofsinteringwasteheatpowergeneration.SinteringandPelletizing，2008，33(1):31.

　　[4]吳亦三.燒結機余熱回收利用技術[J].節能技術，1990，(4):44-48.