周浩宇 1 ，李奎文 2 ，雷建伏 2，劉前 1
( 1． 中冶長天國際工程有限責任公司，湖南 長沙 410205; 2． 韶鋼松山股份有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)
摘 要: 針對燒結(jié)行業(yè)新興工藝技術(shù)“Super sinter”( 燒結(jié)燃氣頂吹) 在生產(chǎn)時存在的問題，以技術(shù)機理為基礎，通過流場仿真模擬分析，開發(fā)出含多個子技術(shù)在內(nèi)的一整套燃氣頂吹關(guān)鍵裝備技術(shù)，并將其成功應用于韶鋼工業(yè)現(xiàn)場，且針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了技術(shù)效果和效益比對。最后，對該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行了預測分析。
關(guān)鍵詞: 燒結(jié); 燃氣噴吹; 流場; 仿真模擬; 關(guān)鍵裝備; 現(xiàn)場應用; 發(fā)展趨勢
1 前 言
燒結(jié)工序是鋼鐵流程中高能耗、高污染的集中環(huán) 節(jié)，其 能 耗 約 占 鋼 鐵 生 產(chǎn) 總 能 耗 的8. 3%，僅次于高爐煉鐵工序［1］。故此，開發(fā)高效低排的燒結(jié)技術(shù)及裝備對鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。
在生產(chǎn)中，為了確保燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標，原料中的配煤比例一般按保證整個原料燒結(jié)良好的前提進行供給［2］。但由于目前燒結(jié)混合料布料采用偏析布料，容易導致煤粉中存在的大顆粒在布料時滾落匯聚在料層底部，造成上部燃料少，下部燃料多，而這與燒結(jié) “抽風蓄熱式生產(chǎn)”所要求的 “上部熱量多，下部熱量少”［3］ 相悖，從而造成目前燒結(jié)生產(chǎn)過程中，料層熱量分布嚴重不合理，上部料層熱量不足，中、下部料層熱量過剩，在造成能源、資源浪費的同時，還大幅加劇了煙氣污染物的產(chǎn)生。
故此，國內(nèi)外各煉鐵廠都急于開發(fā)一種能有效實現(xiàn)料層內(nèi)的燃料合理分布，減少混合料配煤比，實 現(xiàn) 節(jié) 能、減 排、提 質(zhì) 效 果 的 燒 結(jié) 新技術(shù)［4］。
2008 年日本 JFE 公司提出 “Super sinter”工藝技術(shù)，在燒結(jié)過程中導入冷態(tài)可燃氣體( LNG 或 COG) ，在料面負壓作用下吸入料層并在燃燒帶附近燃燒［5］。從而在整體降低料層固燃配比的基礎上實現(xiàn)燒結(jié)過程上、中、下部的供熱量趨于合理，在降低燒結(jié)工序能耗的同時有效減少了料層內(nèi)局部高溫點比例，既提高了燒結(jié)礦強度，又有利于改善燒結(jié)礦的還原性能［6］。然而，在 “Super sinter”工藝技術(shù)工業(yè)化實施應用中，先后發(fā)現(xiàn)很多影響其生產(chǎn)效果的裝備技術(shù)瓶頸點，比如燃氣逃逸、燃氣著火、料層吸入燃氣不均勻、側(cè)風干擾罩內(nèi)流場等。
針對存在的問題，中冶長天以工藝機理為基礎，通過多相流仿真分析對噴吹罩內(nèi)流場進行模擬研究，提出了多項裝備結(jié)構(gòu)新方案，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全套燃氣噴吹先進裝備技術(shù)，并將其在韶鋼5 # 燒結(jié)機上成功實現(xiàn)了工業(yè)化應用。
2 工藝機理分析
該技術(shù)工藝機理為在燒結(jié)料面噴入一定量的氫系燃氣 ( LNG 或 COG) ，使其在燒結(jié)負壓的作用下被抽入燒結(jié)料層內(nèi)并在料層中的燃燒帶上部點燃放熱，同時減少燒結(jié)料層整體固體燃料比例，使得中、下部料層依靠上部熱風蓄熱，而上部料層依靠燃氣燃燒供熱，這樣就變相實現(xiàn)了料層中的燃料偏析，使料層溫度分布趨于合理。該技術(shù)在有效降低工序能耗的同時還能減少燒結(jié)煙氣污染物的排放 ［7］。且由于 1200 ～1 400 ℃次高溫區(qū)的比例大幅提升 ( 見圖1) ，1 400 ℃以上的不合理高溫點比例大幅度減少，故更適合于強度和還原性能更優(yōu)的復合鐵酸鈣組分的生成，燒結(jié)礦質(zhì)量得到大幅度改善。
3 燃氣料面頂吹關(guān)鍵裝備技術(shù)研究
3. 1 噴吹管高度研究
噴吹管高度是噴吹裝置中的一項重要參數(shù)，高度太低易導致煤氣沒有足夠時間與罩內(nèi)大氣混合均勻而直接沖入料層，高度太高易導致煤氣無法受到料面負壓影響穩(wěn)定下行。針對應用較多的 400 mm、650 mm、900 mm 噴吹管高度進行模擬比對分析。
3. 1. 1 幾何模型及邊界條件
噴吹管高度為 400 mm、650 mm 和 900 mm的三種方案的幾何模型如圖 2 所示。以現(xiàn)場運行工況為依據(jù)，設置的邊界條件見表 1。
3. 1. 2 結(jié)果分析
圖 3 是三種方案的 H2 體積濃度云圖?？梢?，當噴吹管距離料面高度為400 mm 時，燃氣出口距離燒結(jié)料面過近，從管中噴出的燃料氣體沒來得及與環(huán)境氣體擴散混合即被吸入料層，導致料層上方燃氣濃度場分布不均，影響噴吹效果; 當噴吹管距離料面高度為900 mm 時，燃氣出口距離燒結(jié)料面過遠，料面負壓不足以提供燃氣向下的抽力，燃氣在浮力作用下向上漂浮，導致少量燃氣從噴吹罩頂部逃逸，存在安全隱患; 當噴吹管距離料面高度為 650 mm 時，燃氣全部被抽入燒結(jié)料層。同時，燃氣在進入料層之前具有足夠的時間與環(huán)境氣體擴散混合，在料層附近各處，燃氣濃度已趨于均勻。綜上，仿真實驗表明，噴吹管高度設置為 650 mm 時，燃氣噴吹效果最好。
3. 2 噴吹管翼型防逃逸板裝置研究
燒結(jié)生產(chǎn)中，負壓波動是常見事件，為了減小料面負壓波動對料層吸收效果的負面影響，作者自主設計噴吹管用翼型防逃逸板裝置，可有效避免當料面負壓變小導致料面對噴吹氣體抽力不足時，噴吹氣體向上逃逸從而引發(fā)的燃氣逃逸現(xiàn)象，增強噴吹裝置運行的安全性和穩(wěn)定性。對安裝裝置前、后的流場效果進行了模擬比對分析。
3. 2. 1 幾何模型
翼型防逃逸板裝置示意圖如圖 4 所示。
3. 2. 2 結(jié)果分析
圖 5 為防逃逸板安裝前、后的 H2 濃度云圖。由圖可看出: 在安裝防逃逸板前，當料面負壓短時間不足時，大量 H2 往上逃逸造成能源浪費; 在安裝防逃逸板后，短時間內(nèi)即使料面負壓不足，大部分 H2 仍可被防逃逸板控制在料面負壓區(qū)內(nèi)不會造成逃逸，當料面負壓恢復正常后，這部分被控制的 H2 即可被吸入料層參與生產(chǎn)。
3. 3 防側(cè)風用罩頂半滲透式擋風板裝置研究
在燃氣噴吹技術(shù)生產(chǎn)中，由于罩內(nèi)要求是穩(wěn)定有序的下行流場，故對于噴吹罩體抗外界側(cè)風干擾的能力要求較高，特別是一些沿海工廠，在強風量、高風速的海風影響下，會在噴吹罩內(nèi)側(cè)壁面附近產(chǎn)生渦流，擾亂罩內(nèi)流場，引起罩內(nèi)燃氣逃逸，從而影響噴吹裝置運行效果。針對此問題，作者自主設計了防側(cè)風用罩頂半滲透式擋風板裝置，并對安裝前、后的效果進行了模擬比對分析。
3. 3. 1 幾何模型
罩頂半滲透式擋風板裝置示意圖如圖 6所示。
3. 3. 2 結(jié)果分析
圖 7 為半滲透式擋風板裝置安裝前、后的流場流線圖。由圖可看出: 在安裝裝置前，遇到較大風速的側(cè)風 ( 風速 ＞5 m/s) 時，罩內(nèi)區(qū)域形成了渦流，嚴重干擾了原本穩(wěn)定下行的層流流場，在此情況下罩內(nèi) H2 會大量逃逸; 而在安裝裝置后，即使側(cè)風風速加大，罩內(nèi)也僅在迎風內(nèi)壁面形成反射流，而不會影響罩內(nèi)的下行層流場，從而不會影響燃氣正常下抽。
3. 4 穩(wěn)流用頂部百葉窗板裝置研究
為了確保生產(chǎn)時燃氣噴吹罩內(nèi)穩(wěn)定有序的流場，且噴吹至料面上方的燃氣濃度值均勻合理，作者自主設計了穩(wěn)流用頂部百葉窗板裝置，并對裝置安裝前、后的罩內(nèi)流場效果進行了模擬比對分析。在穩(wěn)流、導流的同時可有效將罩內(nèi)下部區(qū)域流場均勻化，從而強化噴吹裝置運行的燒結(jié)輔助效果。
3. 4. 1 幾何模型
穩(wěn)流用頂部百葉窗板裝置示意圖如圖 8所示。
3. 4. 2 結(jié)果分析
圖 9 為頂部百葉窗板裝置安裝前、后的流場空氣濃度云圖。由圖可看出: 在安裝裝置前，一旦遇到從上方斜下吹的風流時，罩內(nèi)區(qū)域易形成空氣的濃淡分流，從而導致空氣在到達料面附近區(qū)域的時候濃度不均，進而造成煤氣混勻后的體積濃度不均，嚴重影響技術(shù)輔助效果;而在安裝裝置后，即使遇到上方斜下吹的風流時，通過穩(wěn)流板也能將其穩(wěn)流而確保料面附近區(qū)域的空氣濃度基本均勻，從而保證技術(shù)輔助效果不受影響。
4 燃氣料面頂吹關(guān)鍵裝備技術(shù)的應用
通過裝置結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究，中冶長天掌握了一整套均勻化、安全化、高效化的燃氣噴吹先進裝備技術(shù)，并已于 2017 年 6 月將其在韶鋼5 # 燒結(jié)機上成功投運，噴吹介質(zhì)為 COG 焦爐煤氣，裝置至今已穩(wěn)定運行近一年，業(yè)主對該裝置給予了高度認可，其現(xiàn)場生產(chǎn)實物照片如圖10 所示，投運前后主要的數(shù)據(jù)對比如表 2 所示。表 2 中的運行數(shù)據(jù) 表 明: 在 韶 鋼 5 # 燒 結(jié) 機( 360 m2 ) 料種和工況條件下，平均每噴入 1 m3焦爐煤氣，可減少燒結(jié)焦粉用量 1. 5 ～ 1. 7 kg，提高成品率 0. 3%左右，煙氣多污染物排放量均有小幅度降低。考慮到該技術(shù)的煤粉/煤氣熱量置換比為 1∶ 2. 8，則該技術(shù)噸礦經(jīng)濟效益為0. 76 元/t ( 燒結(jié)礦) ，年度經(jīng)濟效益為 313.5 萬元。由此可以看出，該技術(shù)具有較好的經(jīng)濟效益。
5 結(jié)論及發(fā)展趨勢預測
現(xiàn)場長期生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明: 中冶長天自主研制開發(fā)的均勻化、安全化、高效化燃氣噴吹關(guān)鍵裝備技術(shù)可有效解決生產(chǎn)時存在的著火、逃逸、富集、流場紊亂等問題，彌補了現(xiàn)有煤氣噴吹技術(shù)的不足，在實現(xiàn)安全穩(wěn)定生產(chǎn)的同時，也將 “Super sinter”的工藝技術(shù)效果實現(xiàn)了最優(yōu)化。技術(shù)未來發(fā)展趨勢預測如下:
( 1) 介質(zhì)多元化: 目前，該技術(shù)僅適用于LNG 天然氣和 COG 焦爐煤氣介質(zhì)，而對于高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、混合煤氣、煤氣與煙氣耦合、煤氣與蒸汽耦合、煤氣與氧氣耦合等多元介質(zhì)的料面噴吹并未展開相關(guān)研究。隨著技術(shù)的市場化應用和推廣，研制適用于多元介質(zhì)氣體料面噴吹的工藝與裝備技術(shù)必將成為主流趨勢。中冶長天目前已針對該部分內(nèi)容開展相關(guān)研究工作，并搭建專利壁壘。
( 2) 系統(tǒng)智能化: 隨著中國制造 2025 規(guī)劃的部署與推廣，人工智能與傳統(tǒng)流程工業(yè)領域產(chǎn)品的結(jié)合勢在必行。在燃氣噴吹生產(chǎn)中，有多種異常工況存在，針對這些異常工況的直接或間接臨床特征，開發(fā)出基于視覺識別、軟測量等手段的穩(wěn)健識別技術(shù)。同時，通過收集一次元件檢測反饋的數(shù)據(jù)參數(shù)與模型計算，能夠進行智能化的類腦策略生成，在無人操作的情況下自動分析出當前工況所匹配的最優(yōu)噴氣量和減碳量，進而對系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)無人化、少人化的安全、高效生產(chǎn)，將成為未來該技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
參考文獻
［1］ 趙春麗，許紅霞，杜蘊慧，等． 關(guān)于推進我國鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的對策建議［J］． 環(huán)境保護，2017，45( z1) :41 －44．
［2］ 白晨光，謝皓，邱貴寶，等． 燒結(jié)料層中的蓄熱模型［J］．重慶大學學報，2008，31( 9) : 1002 －1007．
［3］ 楊改彥，李麗麗，馬艷杰，等． 我國燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］． 卷宗，2016( 5) : 27 －28．
［4］ 周文濤，胡俊鴿，郭艷玲． 國外燒結(jié)球團突破性技術(shù)研究進展［J］． 燒結(jié)球團，2015( 2) : 31 －33．
［5］ 程志龍，楊劍，魏賞賞，等． 燃氣噴吹技術(shù)調(diào)控鐵礦燒結(jié)熔化特性的實驗研究［J］． 工程熱物理學報，2017，V38( 5) :1044 －1050．
［6］ Oyama N，Iwami Y，Yamamoto T，et al． Development of Secondary － fuel Injection Technology for Energy Reduction in the Iron Ore Sintering Process［J］． Isij International，2011，51( 6) : 913 －921．
［7］ 楊海蓮． 梅鋼燒結(jié)機焦爐煤氣輔助燒結(jié)改造工藝設計［J］． 科技咨詢，2016，34( 1) : 88 －90．