燒結環冷機組余熱回收的數值模擬與應用研究

中圖分類號： TF802.67 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0094-06

Abstract：ThecircularcolingunitisoneoftheimportantequipmentinthesteelsinteringproductionprocessItisusedto cooltheroastedandrushedhigh-temperaturesinter.Theequipmentventilatedandcoolsheatthroughacircularringsupported onacirculartrackandrotatingaroundafixedcenterofrotation.Inthelong-termproductionpractice，traditionalcircularcoolers haveexposedaseriesof problemssuchasenergywasteandenvironmentalpolutionduetothelimitationsofstructuraland functionalmodels.Basedontheactualproductionmodeofthesinteringringcolingunit，aphysicalmodelwasbuilt，parameter changesattheobservationpointsduringtheentireoperationcycleweresetandrecorded，andtheimpactofvariousfactorson thesinteringcoling efectwasanalyzed.Foursetsofeficientworkingconditionswerescreenedoutwhilemetigthe enterprisesneedsforminerallayercolingwereestablished，andanorganicRankinecyclethermodynamicmodelwasestablished topredictandevaluatethepowergenerationandpowergenerationateachworkingconditionpointandplan.Itisexpectedthat the annual power generation will be increased by 1100×10⁴kWh . Annual standard coal is saved by 3320tce/a ，and annual carbon emission reduction is 9220t-c/a ，which is of guiding significance for actual production.

Keywords：sintered circularcooler;physical modeling;cooling eficiency；fluegas temperature;power generation

鋼鐵是最重要的工業基礎原材料之一，我國年產量達10億t，占全球產量過半，在建筑、交通等領域扮演著不可或缺的角色。然而，這一行業的碳排放也占了國內工業的較大比例。為達成本世紀節能減排目標，我國鋼鐵行業需要在未來25年內將碳排放量減少一半，因此，鋼鐵行業在消費、制造、技術和供應等多個領域向零碳經濟轉型非常重要。而燒結環冷工序是鋼鐵生產過程中一個關鍵環節，其能源消耗較為顯著，約占鋼鐵行業總能耗的 10% 。因此，這一工序在生產過程中具有較高的能效利用潛力。

伏啟讓、李圭文等3-4對各企業燒結環冷機廢氣余熱回收的工藝流程和實際應用效果進行調查研究，經過密封改造后，環冷機有效減少了內部高溫煙氣的排放損失，從而提升了燒結礦余熱的回收利用效率。倪樹奇、劉慧敏等β5-針對傳統環冷機存在的缺陷問題，對傳動裝置、回轉體裝置、壓軌裝置等進行了不同程度的升級改造，將環冷設備的整體性能提高了一個等級，降低了漏風率和故障率，提升了發電量。在建模仿真方面，夏建芳等針對環冷機預熱回收率低的問題，通過分析方法，建立了一個用于評估某鋼鐵廠燒結環冷機余熱回收系統運行效率的模型。該模型基于多孔介質模型和局部非平衡熱力學模型，探討了不同參數對固體溫度分布、氣體溫度和流速分布，以及余熱利用效率的影響。Jiin-Yuh對燒結床冷卻過程中的三維湍流、瞬態流體流動和傳熱進行了數值模擬與實驗研究。對中溫廢氣進行串級利用可以改善燒結煙氣循環利用的效果，避免了燒結機料面表層因抽入冷空氣而溫度急劇降低所產生較大的內應力和裂紋的現象，為燒結礦均質化及高成品率創造條件8，但沒有得到市場化應用。

目前關于燒結環冷機的研究主要是結構方面的改進，通過提高各部分的密封性來降低漏風率，提高發電量。在仿真方面缺少對煙氣回熱、物料厚度和風機風速的定量綜合研究，并且沒有將影響因素與實際生產的發電段建立功率和產量的聯系。針對某企業的燒結環冷系統，根據現場實際數據仿真，進行驗證后重新建立不同工況的物料層模型，統計各厚度物料層最終溫度所受因素的影響，之后利用一系列公式計算出優化后發電量的提升，實現節能減排的目的。對于指導企業在實際生產中提高能源利用率，降低碳排放具有一定的意義。

1模型建立

1.1 物理模型

選擇企業 360m³ 燒結工程 415m² 鼓風環冷機為研究對象，使用CFD和SolidWorks軟件對機組、礦石進行建模，并對回熱前后的流場進行模擬，所建幾何模型如圖1、圖2所示。

環冷機的實際工作狀況如圖3所示，根據風機的運行情況分為5段，其中夏季開第三、四、五段，春秋季開第三、四段，冬季開第三段。根據歷史數據記錄確定第三段余熱溫度為 195°C ，第四段為 135°C ，并將這2段廢氣回收用于發電。本文研究意在保證第五段煙氣最終排放溫度達到企業要求的前提下盡可能提高第三、四段的煙氣溫度，達到發電量的提升。

對模型進行簡化處理：

1）將整個運行中的機組視為靜止狀態，除去進、排料口外，以環冷機組圓心取 10^° 角進行建模，用運行時間來代表單位體積的礦層所在位置，模擬總時間即為實際機組運行一周所需時間。

2）將無規則多空隙的礦石堆視為理想平板，與機組內壁四周留有空隙，尺寸根據實際周期冷卻量和孔隙率及礦石密度進行設定。

3）將風機構造簡化為流場入口，根據風量和進風口尺寸設置進風速度，按實際情況設置排風口。

4）機組材質、風量等均按照實際情況設置。

1.2 數學模型

連續性方程

能量方程

1）從流體單元到壁面的熱傳導屬于對流傳熱，礦石和機組自身屬于傳導傳熱。因而其遵循固定溫度條件的熱流量傳導方程、壁面對流熱傳導方程、瞬態固體能量守恒方程

q=h_f（T_w-T_f）+q_rad，

式中： h_f 為局部流體一側的導熱系數； T_w 為壁面溫度；

T_f 為局部流體溫度； q_rad 為輻射熱流量。

2）從固體單元到壁面邊界的熱傳導

式中： K_s 為固體的熱傳導率； T_s 為壁面局部固體溫度；

Δn 為壁面表面和固體單元中心的距離。

3）對流熱傳導

q=h_f（T_w-T_f）+q_rad=h_ext（T_ext-T_w），

式中： h_ext 為定義的外部熱傳導系數； T_ext 為定義的外部熱沉溫度； q_ard 為輻射熱流量

4）熱分析類型包括瞬態分析和穩態分析，本文研究主要關心的是模型內各點溫度隨時間的變化，即模型的熱力狀態與時間的函數關系，不涉及其在達到熱平衡狀態的熱力條件，因而選用瞬態分析。在區域塊設定時，賦予了各部分熱導率、比熱、初始溫度、密度、黏度等屬性，設置了運行時間、時間增量等條件

式中： K 為材料導熱率； T 為控制體溫度； 為控制體內生熱。

2參數和邊界條件設置

2.1 參數設置

模型各部分參數見表1。

2.2 邊界條件

回熱前的空氣溫度與當地環境溫度相同，回熱后溫度為 600K 風機將空氣從機組下方吹入，流經礦板四周間隙，變成高溫空氣從頂部排煙口排出。進口為速度入口，出口為壓力出口，機組外壁面絕熱，空氣形成的內流場與礦板和機組內壁面之間設置為對流換熱，各部分內部為傳導換熱，在模型出口處設置溫度監測點，觀測記錄其在整個系統運行期間的溫度變化。所建成的傳熱模型如圖4所示。

3仿真結果與驗證

3.1 仿真驗證

將仿真條件設置成與實際常態運行工況相近的風機風速 15m/s ，溫度 25°C ，礦層厚度 70mm 。把仿真結果與實際測量結果進行分段取點對比分析。

由對比圖（圖5）可以看出，模擬結果在第一段和第二段與實際溫度測量結果有差距，這是由于在仿真過程中對礦板以及機組的理想化設計導致的運行初期溫度驟降;第三、四、五段數據基本吻合。本文主要針對第三、四段的中低溫廢氣進行余熱利用，因而模擬結果具有參考價值。在常態仿真條件的基礎上對回熱狀況、風機風速、礦層厚度等工況條件進行改變并分析冷卻效果，最終獲得達到企業需求并最大化發電量的工況方案。

3.2 仿真結果

在改變工況條件后可得到圖6、圖7的擬合曲線和圖8、圖9的三維曲面。

圖6在對已得溫度點進行Belehradek擬合后可以看出，在標準工況風速下，增加回熱會降低其初始階段的冷卻效率，在第四段末將風速增大到 20m/s 后可達到與回熱前溫差在 20°C 以內的企業需求。

圖7在對已知溫度點進行LangmuirEXT2擬合后可以看出，隨著風速的提高，冷卻效率在前半段的提升更為明顯，而冷卻效果的增量越來越少，風速在 5m/s 時明顯達不到冷卻溫度，因而在后續的方案中舍棄這一工況。

圖8和圖9分別反映了不同厚度的礦層在不同風速影響下第四段和最終的冷卻效果，每張圖自下而上分別為空氣冷卻、回熱 408K 和回熱 468K 狀態。

根據企業需求，最終的廢氣排放溫度應與常態溫差在 20°C 以內，在此基礎上對各工況點的最終冷卻溫度進行篩選，并盡可能提高第三、四段的溫度，以最大化發電量。因此挑選出了4套工況方案，并在后續建立ORC熱力學循環模型，對各方案發電量進行評估分析，見表2。

4發電功率和發電量分析

有機朗肯循環（ORC）發電系統正常工作時，之前部分研究的廢氣在余熱鍋爐中將有機工質加熱成飽和蒸汽，之后送入膨脹機驅動變速裝置帶動發電機轉動，產生電能。ORC透平參數、發電段水循環參數、ORC熱力學模型運行參數見表3一表5。

在ORC發電系統中，膨脹機是輸出有用功的唯一裝置，由有機工質高壓蒸汽產生的膨脹做功量為

W_t=m_f（h₆-h₇）η_t

式中： 代表單位質量有機工質膨脹時對外做功量（kJ/kg） ; h₆ 和 h₇ 代表有機工質在膨脹機進出口的比焓（kJ/kg）;η_t 代表膨脹機的等熵效率， m_f 為工質流量。

凈輸出功率表示為

W_net=W_t-W_pv-W_pc，

式中： W_net 代表系統凈輸出功率 （kW），W_pw 和 W_pc 表示工質泵和冷卻水泵消耗的電功率。

發電量為總時間發電功率的積分和，表示為

式中： Q 代表整個發電段取熱的發電量， T₁ 和 T₂ 表示發電段所對應的時間點。

根據調整后不同因素最終的冷卻效果進行余熱發電，可對發電功率和發電量進行對比分析，如圖10、圖11所示。

由圖10分析可知，回熱狀態和風速對發電功率的影響較大，在添加 408K 回熱和 468K 回熱狀態時發電功率可增加約 1200kW 和 2200kW ，在將風機風速從 15m/s 降到 10m/s 時發電功率可增加約 1100kW ；在使用方案2時， ¹h 可提升約1300kWh 電量，年提升約 1100×10⁴kWh 電量。對節能減排效果進行評估，按煤電折算系數 302.5gce/kWh 標準煤熱值 7000kcal/kg 計算，可得表6的評估結果。

5 結果與討論

1）使用同工況下的實際運行數據對所建模型進行驗證，之后通過改變模型各部分參數和運行條件，獲得燒結礦在定量條件下出口煙氣的變化規律和最終溫度。

2）利用有機朗肯循環模型對改變三方面因素在發電效率上做出直觀體現，分析出在發電效率提升最大的是添加回熱狀態和降低風速，最大可提升3000kW 。有助于在實際生產應用中根據需求對回熱狀況、風量、冷卻礦量及轉速進行針對性調整，以滿足工業生產的需要。

3）將多種因素綜合考慮形成方案，使用ORC熱力學模型對發電量進行評估。其中方案2在增加468K 回熱狀態后于第四段末進行大風量冷卻，保障最終冷卻效果，理論預估可減少年購電量 1100× 10⁴kWh ，年節約標準煤 3320tce ，年碳減排量9220t-c 。

4）本文的模型仿真和發電量提升建立在理想模型的基礎上，實際生產過程中會受到更多因素的影響，需要后續對建模和仿真過程不斷進行改進。

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