燒結煙氣循環混氣裝置的數值模擬研究

王濤¹ 李寒冰² 陳紅章¹ 

（1．中冶南方武漢鋼鐵設計研究院有限公司 湖北武漢 430080；

2．山西晉南鋼鐵集團有限公司 山西臨汾 043400）

[摘要]：山西晉南鋼鐵廠3#燒結機采用中冶南方武鋼院自主研發的內循環耦合環冷熱風燒結的工藝路線，采用FLUENT軟件針對3#燒結機煙氣循環中的關鍵設備混氣裝置和循環煙氣罩進行流場、溫度場、氧含量的模擬研究。模擬結果表明，該形式的混氣裝置可以有效地混合內循環煙氣和環冷熱風；增加導流板的循環煙氣罩保證送至燒結料面循環煙氣氧含量、溫度均勻分布。項目投產后，一方面有效提升燒結礦的產量和質量，減少廢氣排放量；另一方面能夠提高廢熱利用率，減少燃料消耗，具有良好的經濟效益和社會效益。

[關鍵詞]：混氣裝置 煙氣循環 CFD模擬 熱風燒結

引 言

燒結工藝流程是鋼鐵原料制備的關鍵工序之一，也是目前鋼鐵生產整個過程中煙氣污染最嚴重的工序，燒結工序排放的粉塵、SO₂、NO_X分別占鋼鐵行業排放總量的30%、50%和60%以上，同時煙氣中還含有 CO、二噁英等有害污染物^{[1] [2]}，對環境破壞力大。燒結工序會產生大量的燒結煙氣（約2500m³/t -s）和冷卻廢氣（約2200m³/t-s），其中約50%左右的熱能被主煙道煙氣和環冷機冷卻廢氣帶走^[3] ，造成了能源的嚴重浪費。

在鋼鐵工業追求極致能效和超低排放的背景下，燒結煙氣循環選擇性的從部分風箱中取氣，并將廢氣返回燒結臺車料面重新參與燒結過程，利用燒結煙氣中的余熱和一定量的CO，實現節約固體燃料消耗和減少廢氣排放量的雙重效益，受到各鋼鐵企業的青睞?！朵撹F企業超低排放改造指南》鼓勵燒結配置煙氣循環系統。近幾年國內一些鋼廠相繼投入煙氣循環工藝。然而，部分工藝由于煙氣含氧量低、煙氣成分不穩定、水分高和硫富集等系列問題，在實施后對燒結礦質量產生了不利的影響，最終致使煙氣循環裝置閑置。為此，中冶南方武鋼院進行了深入研究，旨在研究出一種穩定可靠的煙氣循環工藝，提升燒結煙氣循環的使用效果。

圖1 煙氣循環工藝流程圖

一、工藝流程

       山西晉南鋼鐵廠3#燒結機采用中冶南方武鋼院自主研發的內循環耦合環冷熱風燒結的工藝路線，燒結機規模：220m²，燒結煙氣循環率30%。燒結機內循環分別從頭部風箱和尾部風箱取氣，尾部風箱煙氣匯總管上設有大煙道余熱鍋爐回收煙氣中的高溫熱能（鍋爐出口溫度約200℃）,產生蒸汽用于拖動主抽風機。鍋爐換熱后的煙氣與頭部風箱煙氣匯總后經過主煙道進入多管除塵器除塵，出口濃度≤300mg/Nm³，后經循環風機（變頻運行）后進入混風裝置，與環冷機過來的熱風進行混合，混合后再經過6個煙氣支管送至循環煙氣罩，循環煙氣罩安裝在燒結臺車料面上，流程圖詳見圖1。

引入環冷低溫煙氣的目的，一方面提高燒結煙氣的含氧量，起到富氧的作用，另一方面利用環冷煙氣的余熱，減少環冷煙氣的排放量和熱量浪費。因燒結機內循環煙氣與環冷煙氣含氧量、溫度參數差別較大，具體參數詳見表1。設計采用特有的混氣裝置和循環煙氣罩及分支管，用于保證送至燒結料面循環煙氣氧含量、溫度均勻分布。

為了驗證混氣裝置的混合效果及循環煙氣罩的煙氣分布，本文采用FLUENT軟件針對混氣裝置和循環煙氣罩及分支管進行流場、溫度場、氧含量的模擬研究。

表1                 燒結內循環煙氣和環冷煙氣參數表

二、模型建立

1.物理模型

（1）混氣裝置

混氣裝置筒體高度29m，直徑4200mm，底部設置導流筒，避免2種煙氣對撞，影響混氣效果?；鞖庋b置物理模型如圖2a所示，內循環燒結煙氣和環冷機熱風分別通過混氣裝置下部的2個進風口沿切線方向進入混氣裝置，煙氣沿外壁自下而上作螺旋形旋轉運動，流體在向上發展流動的過程中不斷擾動混合，最終在出口處達到相對均勻狀態并流出，該部分模型包括兩個入口階段以及一個出口階段。

（2）循環煙氣罩及支管

a 混氣裝置物理模型                   b 循環煙氣罩及分支管物理模型

圖2 混氣裝置和循環煙氣罩的物理模型

循環煙氣罩物理模型如圖2b所示，煙氣罩長度48m，寬度3.5m，弧形結構，共有6根矩形支管均勻接入循環煙氣罩。在循環煙氣罩每個接入口處設有四個導流板，每個尺寸為500x1600，與水平方向夾角分別為30°，45°，60°，75°。對比加入導流板前后煙氣分布的均勻性。

2. 邊界條件選取

模擬計算的簡化假設包括:①混氣裝置和循環煙氣罩均為絕熱壁面，不存在熱量散失；②兩種煙氣可視為不可壓縮流體，忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱；③流動為穩態湍流狀態，采用標準k-ε湍流模型的方程，湍流動能方程k擴散方程ε ；④流體密度采用Boussinesq假定，即密度僅隨溫度變化，與壓力無關，也不考慮煙氣中的含塵量;⑤混氣裝置和循環煙氣罩及管道密封良好，不存在漏風現象?；鞖庋b置的fluent模擬計算的邊界條件見表2：

表2                 混氣裝置fluent模擬邊界條件

煙氣循環罩的邊界條件設置見表3，在設置擋板后，流體流量可能會發生些許改變，但總壁面的邊界條件不變。新加入的導流板邊界條件為定熱流密度為0的絕熱條件。煙氣循環罩在流量確定的情況下進行模擬，以氧氣含量和溫度為參考指標來檢查整個煙氣循環組分分布效果。

表3                   煙氣循環罩及分支管fluent模擬邊界條件

三、模擬結果

1.混氣裝置

燒結內循環煙氣與環冷機煙氣沿切線方向進入混氣筒，煙氣沿外壁自下而上作螺旋形旋轉運動，相互混合，使得混合煙氣中的氧含量、溫度均勻分布。為了驗證混氣裝置的混氣效果，模擬結果如下圖3：
 

 a 氧含量分布                b 溫度分布                   c 流線分布

圖3混氣裝置氧含量、溫度、速度曲線的模擬結果

圖a和圖b表明速度和溫度在垂直方向上趨勢基本一致，都是在入口時呈現兩極而后逐漸均勻。圖c所示在高度上升方向上流體流動的趨勢，因為慣性力大于粘性力而發生水平方向的摻混，而垂直摻混效果遠小于水平方向。

 a 氧含量分布                b 溫度分布

圖4 不同高度平面的氧含量和溫度分布

從圖4可以看出，隨著高度的升高，氧含量和溫度逐漸均勻。為了更直管的反映煙氣的混合情況，選取12個高度位置，分別為高度1m，3m，5m，7m，9m，11m，13m，15m，17m，19m，21m，23m。在每個高度選取S1，S2，S3，S4四條測線，測線位置如下圖3，計算這4個點溫度或氧含量的平均值作為該高度的溫度或氧含量值。

圖5 混氣裝置測線平面布置

圖6不同高度平面上的氧含量、溫度平均值

從圖6中可以看出，氧含量的波動隨著高度的增加逐漸減少，從15m開始基本趨于不變，氧含量保持在19.02%左右。溫度變化趨勢與氧含量基本一致，從15m開始基本趨于不變，保持在211.8℃左右。

根據實驗研究，循環煙氣氧含量控制在18％以上，既有利于燒結礦轉鼓強度的提高，又有助于保持或增加燒結礦產量^[4] [5]。循環煙氣溫度在120-250℃之間。

2.循環煙氣罩及分支管

煙氣通過混氣裝置混合均勻后，接分支管和循環煙氣罩，分支管和循環煙氣罩是要保證將煙氣均勻送至料層表面，保證垂直燒結速度一致。為了提高煙氣的均勻度，改變邊界條件，將每個支管入口定義速度入口，速度一致，使得進入每個支管的風量一致。在分支管與煙氣罩接口處增設導流板前后進行對比模擬，模擬結果如下：

a 加擋板前溫度分布                        b 加擋板后溫度分布

圖7 加擋板后煙氣罩及支管截面上溫度分布
   
 c 加擋板前氧含量分布，%           d 加擋板后氧含量分布，%

圖8 煙氣循環罩出口截面氧含量分布

圖7中a和b分別為加擋板前后循環煙氣罩及支管豎直截面上的溫度分布趨勢。圖8中c和d分別為加擋板前后循環煙氣罩出口截面上的氧含量分布趨勢，從圖中可以看到加擋板后溫度和氧含量的均勻度有明顯提升。

3.小結

通過模擬結果可以看出：

(1) 燒結內循環煙氣與環冷機煙氣沿切線方向進入混氣裝置，混氣裝置底部設置導流筒，可以有效將兩種煙氣混合均勻。

(2)分支管和煙氣罩之間增加導流板可以有效提高送入料面煙氣的均勻性。另外，在循環煙氣罩及支管設計過程中，需要充分考慮各支管的阻力平衡，進行必要的計算，可在支管上設置電動調節閥或阻力平衡器。

四、結論

數值模擬結果顯示，晉南3#燒結機混氣裝置中內循環煙氣和環冷煙氣分別沿切線方向進入筒體，兩種煙氣可以得到有效混合，出口氧含量穩定在19.02%左右，溫度穩定在211.8℃附近。循環煙氣罩及支管可以保證送至燒結料面循環煙氣氧含量、溫度均勻分布，避免出現料層垂直燒結速度不均的情況。

項目投產后，循環煙氣的余熱可以改善燒結料層溫度分布，有利于燒結過程中液相的充分形成，燒結礦的質量有了一定的提升，轉鼓強度提升至75%以上，返礦率降低1%；后續脫硫脫硝廢氣處理量降低25-30%，減小機頭電除塵器、脫硫脫硝的設備規格，降低了投資和運行成本；充分利用了燒結煙氣中的顯熱和潛熱，有效降低了固體燃料的消耗量，噸燒結礦燃料消耗減少3-4kg。每年減少煤粉消耗7253t，減少碳排放20300t，節能減排效果顯著。

參考文獻

[1] 王濤，謝春帥． 燒結煙氣循環技術研究進展與展望［J］． 冶金能源，2020，39(2) :55－58．

[2]李超群，徐文青，朱廷鈺.燒結煙氣循環技術研究現狀與發展前景[Ｊ]. 河北冶金，2019（S1）:1-6.

[3] 王國遙. 燒結環冷煙氣余熱梯級利用技術的探索 [J]. 燒結球團，2018，43卷2期: 72-76.

[4]朱廷鈺，李超群，徐文青等.燒結煙氣選擇性循環技術與應用 [J].河北冶金，2022（6）：65~69.

[5] 王兆才，胡兵，魏進超，周志安，等.燒結煙氣循環技術方案研究[J].2017第二十一屆大氣污染物防治技術研討會:280-285.