彭仁忠 陽習端 郭 亮 肖偉平

(湖南華菱鋼鐵集團有限責任公司，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備工序，其能耗較高，約占整個鋼鐵企業(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)，但實際應用中噸礦發(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現(xiàn)我國雙碳目標、降低整個鋼鐵企業(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)，為三爐一機配置，裝機18 MW，經(jīng)過近幾年的運行和挖潛，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。電站的年平均負荷不超過12 MW，約為設計負荷的66%。余熱發(fā)電電站在噸礦發(fā)電量及設備配置容量方面均有較大提升空間。基于此，漣源鋼鐵集團有限公司(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)冷機礦料均勻冷卻，確保余熱煙氣的梯級回收，減少環(huán)冷機內(nèi)部高溫煙氣的損失，提高燒結(jié)礦余熱利用率。采用CFD 計算流體力學軟件 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行模擬，分析改造后的效果。

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

1.1 改造前環(huán)冷機余熱回收系統(tǒng)存在問題分析

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

1)環(huán)冷機熱風煙罩內(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，造成熱風煙罩內(nèi)的煙氣流動紊亂。

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

3)熱風煙罩是固定的，而環(huán)冷機臺車是運動的，因此環(huán)冷機臺車和環(huán)冷機熱風煙罩于之間存在縫隙[6]。針對縫隙雖然做了機械密封，但只是減小漏風面積，且端頭無法做到密封。這就導致了每個吸風口附近在吸入熱煙氣的同時也從縫隙中吸入了外部冷空氣；而遠離抽氣口的煙罩內(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)冷機余熱回收系統(tǒng)進行技術(shù)改造，具體是在現(xiàn)有環(huán)冷機余熱回收煙罩內(nèi)增設煙氣流場調(diào)整裝置，使熱風煙罩內(nèi)的煙氣流場更有利于燒結(jié)礦料的均勻冷卻，同時讓系統(tǒng)定向抽吸品質(zhì)更高的熱煙氣，提高進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)冷機物理模型

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

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

環(huán)冷機屬于龐大的工業(yè)設備，燒結(jié)礦的冷卻過程涉及到復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)冷機進行如下簡化處理：

1)環(huán)冷機運行工況穩(wěn)定，各操作參數(shù)不隨時間而改變。

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)的三維輻射換熱計算非常復雜，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)礦固體顆粒間的導熱過程，空氣間的導熱過程，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 計算流體力學軟件 Fluent 6.3，按漣鋼280燒結(jié)環(huán)冷機實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中顏色標出部分為縫隙處冷風滲入位置，未標出為熱風外漏位置。從圖2可以看出，采用階梯式自密封技術(shù)改造后，冷風滲入?yún)^(qū)域明顯減小。

圖2 改造前后煙罩冷風滲透分布圖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煙罩長度分布非常不均勻，在抽口附近位置流量最大，離抽口較遠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，在遠離抽口位置形成較小煙氣流量峰值，所構(gòu)成風量有效面積較小，煙氣焓無法均衡回收利用。改造后煙罩內(nèi)煙氣流量沿煙罩長度方向趨于平穩(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，煙氣焓實現(xiàn)均衡回收利用。模擬計算表明，通過改造裝置實現(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，實現(xiàn)余熱煙氣高效回收與利用。

圖5 改造前后沿環(huán)冷機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(測點位置為距臺車上沿500 mm，距煙罩外側(cè)800 mm)。將安裝煙風抽吸裝置前后的測量數(shù)據(jù)進行對比，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 設備改造前后發(fā)電對比

280燒結(jié)環(huán)冷機余熱發(fā)電提升改造設備從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)冷機余熱回收系統(tǒng)進行技術(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，有助于實現(xiàn)雙碳目標。