向錫炎，周浩宇，賀新華，孫 英，劉 前
( 國家燒結(jié)球團裝備系統(tǒng)工程技術研究中心 熱工研究所，湖南 長沙 410205)
摘 要: 利用計算流體力學軟件 Fluent，采用不可壓縮流體流動基本原理和流熱固耦合有限體積方法，結(jié)合分形理論，對大塊燒結(jié)礦的冷卻特性進行了研究，得到了在不同冷卻風溫和冷卻風速條件下大塊燒結(jié)礦的中心溫度冷卻曲線，為如何優(yōu)化設計燒結(jié)礦冷卻機工藝參數(shù)及指導生產(chǎn)提供了理論參考。
關鍵詞: 大塊; 燒結(jié)礦; 冷卻特性; 數(shù)值模擬; 分形理論
1 前 言
近幾年來，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國早已步入世界鋼鐵生產(chǎn)大國的行列，鋼鐵產(chǎn)能和產(chǎn)量高居世界第一。同時，鋼鐵企業(yè)也是耗能大戶，據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵流程中的燒結(jié)工序耗能僅次于煉鐵，約 占 整 個 鋼 鐵 流 程 能 耗 的 10% ～15% ［1 ～4］ ，位居第二。而燒結(jié)工序中約有一半的能量被燒結(jié)過程產(chǎn)生的煙氣和冷卻燒結(jié)礦所產(chǎn)生的廢氣帶走，其中燒結(jié)煙氣的余熱約占 13%～23%，冷卻機廢氣的余熱約占19% ～35%。這些余熱資源如不加以回收利用，勢必會造成巨大的能源浪費與環(huán)境污染 ［5］ 。
因此，高效回收燒結(jié)煙氣和冷卻機廢氣所蘊含的余熱資源，成為了降低燒結(jié)工序能耗的重要舉措［6，7］ 。其中，應用冷卻設備將熱燒結(jié)礦的高品位余熱用于發(fā)電是一個重要的發(fā)展方向。目前，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)用于冷卻燒結(jié)礦的冷卻設備主要有環(huán)式冷卻機和帶式冷卻機 ［8，9］ ，以及最近幾年出現(xiàn)的一種借鑒干熄焦原理開發(fā)的立式冷卻機。然而不論是何種冷卻機，其最終目的都是將高溫的燒結(jié)礦冷卻下來，同時獲得盡可能多的高溫余熱。
冷卻機做為影響燒結(jié)礦熱回收效率的關鍵設備之一，國內(nèi)外的研究者對此作了很多的研究。其中一部分研究者基于連續(xù)介質(zhì)假設，采用多孔介質(zhì)模型，利用 CFD 商業(yè)軟件進行模擬; 另外一部分采用比較簡單的熱平衡模型，其精度較低。但他們都是從宏觀的角度，對整個燒結(jié)礦料層的氣固換熱特性進行研究，對單塊尤其是大塊燒結(jié)礦的冷卻特性研究尚未見諸報道?；诖耍疚牟捎梅抡娣治鍪侄?，運用 Fluent 軟件，對大塊燒結(jié)礦的冷卻特性進行仿真模擬研究，得到了在不同冷卻條件下大塊燒結(jié)礦的中心溫度曲線，獲得了關鍵工藝參數(shù)對燒結(jié)礦冷卻特性的影響趨勢，為優(yōu)化設計冷卻機的工藝參數(shù)及指導生產(chǎn)提供了理論支持。
2 模 型
2． 1 物理模型
經(jīng)破碎后的燒結(jié)礦塊礦具有不規(guī)則的三維立體形狀，其外表面凹凸不平，內(nèi)部是致密的多氣孔結(jié)構(gòu)。燒結(jié)礦經(jīng)破碎后的尺寸一般為 40 ～80 mm，極個別的在 100 mm 以上，為了保證燒結(jié)礦出冷卻機后不燒皮帶，一般要求燒結(jié)礦出冷卻機后中心溫度低于 150 ℃。
為了準確模擬大塊燒結(jié)礦的冷卻特性，保證燒結(jié)礦出冷卻機后不燒皮帶，本文選取具有代表性的大塊橢圓結(jié)構(gòu)燒結(jié)礦進行二維模擬研究，橢圓長軸和短軸分別為 150 mm 和 100 mm。為了研究冷卻氣流方向?qū)Υ髩K燒結(jié)礦冷卻速度的影響，本文還對燒結(jié)礦分別為水平放置和豎直放置時的冷卻特性進行模擬研究，如圖 1 和圖 2所示。
為了準確模擬燒結(jié)礦表面凹凸不平的形狀對氣固換熱的影響，本文采用分形理論對燒結(jié)礦外部邊界進行處理。
“分形理論”由美國 Mandelbrot 于 1975 年首次提出，其最基本特點是用分數(shù)維度的視角和數(shù)學方法描述來研究客觀事物 ［10］ 。分形理論能夠反應自然界存在的大量非線性現(xiàn)象和很多復雜的、表面上不規(guī)則的集合形狀的客觀規(guī)律，如曲折連綿的海岸線、漂浮的云朵、巖石的斷裂口、粒子的布朗運動等。
分形理論中較為著名的是 Koch 曲線，每迭代一次，便將曲線中間的三分之一處向外折起。圖 3 為迭代了三次的 Koch 曲線。采用 Koch 曲線取代原有物理模型中光滑的燒結(jié)礦表面，能夠進一步探索邊界處的氣固換熱情況，更加準確的模擬燒結(jié)礦粗糙的表面形狀對氣固換熱的影響。本文采用 Gambit 對計算域進行網(wǎng)格劃分，整個計算區(qū)域均采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計算域共劃分網(wǎng)格數(shù)量 50 226 個。
2． 2 控制方程
本文采用不可壓縮流動基本假設，根據(jù)流體力學原理，得到二維非穩(wěn)態(tài)粘性流體運動控制方程組［11］ 如式( 1) ～ ( 3) 所示。
式( 1) 為連續(xù)性方程:
式中，ρ 表示流體密度，kg·m－3 ; t 表示時間，s; j 表示坐標維數(shù); u 是速度矢量，m·s－1 ; x為坐標。
式( 2) 為動量傳輸方程:
式中，P ij 為表面力矢量; g i 為作用于單位體積流體的 i 方向的體積力，N; f i 是作用于單位體積流體的反方向的阻力，N。
式( 3) 為能量傳輸方程:
式中，H 是包括動能的總熱焓，J; Q rad 和 QR分別為輻射與化學反應熱源項，Γ h 表示熱交換系數(shù)。
2． 3 邊界條件
( 1) 冷卻流體入口: 采用速度入口邊界條件( Velocity inlet) ，入口速度為 1 m/s，入口溫度25 ℃。
( 2) 冷卻流體出口 : 選擇壓力出口( Pressureoutlet) 邊界條件，出口壓力 0 Pa。
( 3) 固體: 燒結(jié)礦物性參數(shù): 密度為 1 700kg/m 3 ，比熱為 900 J/( kg · K) ，導熱系數(shù)為8 W/( m·K) ，燒結(jié)礦初始溫度為 750 ℃。
( 4) 壁面: 壁面采用靜態(tài)無滑移壁面邊界條件( Wall) 。
( 5) 冷卻流體選擇空氣。
2． 4 求解策略
采用非穩(wěn)態(tài)求解方法; 選擇 Ｒealizable k － ε雙方程模型對流體粘性進行計算; 壁面處理采用標準壁面函數(shù)( Standard Wall Functions) ; 燒結(jié)礦對外輻射采用 P1 輻射模型; 采用二階迎風格式算法離散對流項; 速度 － 壓力耦合采用 SIMPLE算法; 壓力插補格式采用 STANDAＲD 格式。能量方程和 P1 輻射方程收斂殘差判定值為 10－6 ，其余為 10－3 。
3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析
3． 1 基準工況模擬結(jié)果與分析
以風速為 1 m/s，風溫為 25 ℃ 作為基準工況，對燒結(jié)礦分別在水平放置和豎直放置兩種情況下，其中心溫度隨時間的變化進行了模擬。結(jié)果如圖 4 所示。
由圖 4 可見，燒結(jié)礦的冷卻速度與燒結(jié)礦的放置狀態(tài)無顯著關聯(lián)。在冷卻初期，750 ℃的高溫燒結(jié)礦與周圍冷卻流體通過輻射換熱和對流換熱方式發(fā)生劇烈的熱交換，其中心溫度在約20 min( 1 200 s) 內(nèi)迅速從 750 ℃( 1 023 K) 下降到 150 ℃( 約 420 K) 左右。隨著時間的延長，在冷卻 2 h( 7 200 s) 之后，最終燒結(jié)礦中心溫度被冷卻到 40 ℃( 約 310 K) 左右。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在冷卻階段的前 20 min，燒結(jié)礦溫度較高，與周圍冷卻流體的熱交換以輻射換熱為主，換熱程度劇烈，因而燒結(jié)礦中心溫度下降很快。在隨后的冷卻過程中，燒結(jié)礦溫度逐漸降低，燒結(jié)礦與周圍冷卻流體之間的換熱方式由以輻射換熱為主轉(zhuǎn)換成以對流換熱為主，換熱系數(shù)大幅降低，因而冷卻速度大為減慢。該模型通過了網(wǎng)格無關性檢查，在原有網(wǎng)格數(shù)為 50 226 的基礎上進行網(wǎng)格加倍，所得計算結(jié)果與原結(jié)果相對誤差不超過 5%，因此可認為本文所取的網(wǎng)格數(shù) 50 226 是合理的。董輝［12］ 等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，當料層厚度為 600 mm，初始冷卻風溫為常溫風時，冷卻風速在0． 76 ～1． 51m/s 的范圍內(nèi)，燒結(jié)礦冷卻至 150 ℃以下需要 20～30 min，風速越大，所需時間越短，與本文模擬結(jié)果吻合較好，因此可以認為本模型計算結(jié)果基本可靠，可用于進一步研究。
3． 2 變工況模擬結(jié)果與分析
基于燒結(jié)礦放置狀態(tài)對其冷卻速度影響很小，后續(xù)變工況研究均只對燒結(jié)礦水平放置狀態(tài)進行模擬。
3． 2． 1 冷卻風溫對燒結(jié)礦冷卻特性的影響
圖 5 為大塊燒結(jié)礦在冷卻風速為 1 m/s 時，不同冷卻風溫條件下其中心溫度的變化曲線。
從圖 5 可見，無論冷卻風溫的高低，燒結(jié)礦冷卻過程都是先劇烈后平緩的，這與基準工況下燒結(jié)礦的冷卻趨勢一致。
在經(jīng)過 2 h 的充分換熱后，大塊燒結(jié)礦中心終了溫度隨著冷卻風溫的升高而增高，且燒結(jié)礦的中心終了溫度與冷卻風溫相差無幾。如當冷卻風溫為 25 ℃常溫風時，燒結(jié)礦的中心終了溫度僅 40 ℃ ( 約 310 K) 左右; 當冷卻風溫為 100℃時，燒結(jié)礦的中心終了溫度可達 110 ℃ ( 約380K) 左右; 當冷卻風溫依次由 200 ℃ 增加到500 ℃時，燒結(jié)礦的中心終了溫度分別由 200 ℃增加到 500 ℃，與冷卻風溫幾乎一致。
此外，大塊燒結(jié)礦中心溫度的劇烈下降區(qū)隨冷卻風溫的降低而延長。當冷卻風溫為 25 ℃時，燒結(jié)礦經(jīng)歷 2 000 s 左右的劇烈冷卻區(qū)后，進入平緩冷卻區(qū)。而當冷卻風溫為 500 ℃時，劇烈冷卻時間僅為 500 ～ 600 s。這主要與冷卻風溫度有關，冷卻風溫度越低，燒結(jié)礦的冷卻程度越高，其劇烈冷卻區(qū)自然越長。
3． 2． 2 冷卻風速對燒結(jié)礦冷卻特性的影響
圖 6 為大塊燒結(jié)礦在冷卻風溫為 100 ℃時，不同冷卻風速條件下其中心溫度的變化曲線。
從圖 6 可以看出，冷卻風速僅在燒結(jié)礦劇烈冷卻階段末期對燒結(jié)礦的冷卻程度有一定的影響，對燒結(jié)礦劇烈冷卻階段初期和終了溫度幾乎沒有影響。這是因為在劇烈冷卻初期，燒結(jié)礦溫度較高，與冷卻流體的換熱方式以輻射換熱為主，冷卻風速對換熱過程的影響很小; 隨著燒結(jié)礦溫度下降，進入劇烈冷卻末期，輻射換熱在整個換熱過程中的占比越來越小，對流換熱占比越來越大，此時冷卻風速對換熱過程的影響有所增大。隨著燒結(jié)礦進一步被冷卻，進入到平緩冷卻階段，此時燒結(jié)礦和冷卻流體的溫差逐漸變小，兩者之間的換熱過程趨于平緩，進入平緩冷卻階段。
4 研究成果及意義
通過對大塊燒結(jié)礦冷卻特性的變工況模擬不難發(fā)現(xiàn)，影響大塊燒結(jié)礦冷卻速度的主要因素是冷卻風溫，而非冷卻風速。決定冷卻風溫的關鍵工藝參數(shù)是料層高度和氣固比。在氣固比不變的情況下，料層高度越低，冷卻氣體對熱燒結(jié)礦的冷卻速度越快，所需冷卻時間越短，但同時冷卻氣體與熱燒結(jié)礦的熱交換也越不充分，出口廢氣溫度越低，不利于余熱回收。反之，料層高度越高，冷卻氣體對燒結(jié)礦的冷卻速度越慢，則所需冷卻時間越長，有利于提高出口廢氣溫度和余熱品質(zhì)，但增加料層高度亦會增加料層阻力損失，加大風機電耗，不利于節(jié)約成本。在料層高度不變的情況下，氣固比越高，燒結(jié)礦和廢氣溫度越低，余熱品質(zhì)降低; 反之，氣固比越低，燒結(jié)礦和廢氣溫度越高，但是氣固比不能無限制的降低，必須保證燒結(jié)礦排料溫度低于 150 ℃，否則會產(chǎn)生燒皮帶的現(xiàn)象。
由此可見，料層高度和氣固比決定了燒結(jié)礦冷卻過程的冷卻風溫，從而決定了其冷卻過程燒結(jié)礦與冷卻流體之間的換熱特性。在優(yōu)化設計冷卻機工藝參數(shù)時，應當綜合考慮料層厚度和氣固比兩個關鍵因素，選擇合適的料層高度和氣固比，兼顧技術可靠，經(jīng)濟可行。
在現(xiàn)場生產(chǎn)中，如果冷卻機在運行時發(fā)生排料溫度過高或者輕微燒皮帶現(xiàn)象，根據(jù)本文研究成果，可以迅速采用加大冷卻風量，降低料層厚度兩種方法快速降低排料溫度，避免造成進一步的損失。
5 結(jié) 論
( 1) 燒結(jié)礦冷卻分別經(jīng)過了劇烈冷卻階段和平緩冷卻階段。在劇烈冷卻階段燒結(jié)礦與冷卻流體之間的換熱方式以輻射換熱為主，在平緩冷卻階段以對流換熱為主;
( 2) 冷卻風溫對燒結(jié)礦的最終冷卻溫度以及劇烈冷卻區(qū)長度有重要的影響。
( 3) 冷卻風速僅對燒結(jié)礦劇烈冷卻階段末期有輕微影響，對燒結(jié)礦整體冷卻特性影響較小;
( 4) 選取合適的料層高度和氣固比是保證大塊燒結(jié)礦能夠得到充分冷卻的關鍵。
本文運用 Fluent 數(shù)值分析軟件平臺，結(jié)合分形理論，對大塊燒結(jié)礦冷卻特性的影響趨勢進行了定性分析，其研究成果對優(yōu)化設計冷卻機工藝參數(shù)及指導生產(chǎn)具有重要的參考意義。
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