豎冷爐內(nèi)燒結(jié)礦分布的DEM模擬
祁騰飛1，黃軍2，孫俊杰3，張永杰1,4
(1. 東北大學(xué)冶金學(xué)院， 沈陽 110819；2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；3. 上海梅山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心， 江蘇 南京 210039；4. 寶鋼股份有限公司中央研究院， 上海 201900)
摘要：為研究豎冷爐料層透氣性以改善冷卻氣體分布，建立梅鋼豎冷爐單料倉扁平模型，采用離散單元法模擬研究了豎冷爐布料和排料過程，獲得了穩(wěn)態(tài)下豎冷爐內(nèi)燒結(jié)礦分布和孔隙率分布的微觀信息。結(jié)果表明，布料時(shí)由于落料點(diǎn)位置的變化，燒結(jié)礦會(huì)產(chǎn)生偏析分布。在燒結(jié)礦流動(dòng)穩(wěn)定的狀態(tài)下，爐腔存在準(zhǔn)靜止區(qū)、活塞流區(qū)和匯聚流區(qū)3種流動(dòng)區(qū)域；就燒結(jié)礦分布而言，爐腔中心區(qū)含有更多的10~25 mm和25~40 mm顆粒，爐腔中間區(qū)則分布有更多的40~80 mm和80~150 mm顆粒，爐腔邊壁區(qū)中上部25~40 mm和40~80 mm顆粒的質(zhì)量分數(shù)更高，而下部80~150 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。上述燒結(jié)礦分布使?fàn)t腔邊壁區(qū)和中間區(qū)發(fā)生大顆粒偏析，爐腔中心區(qū)發(fā)生小顆粒偏析；孔隙率呈爐腔邊壁區(qū)和中心區(qū)較大、中間區(qū)較小的“U”形分布。料層透氣性在邊壁區(qū)最好，導(dǎo)致冷卻氣體易從邊壁區(qū)逸出。為改善冷卻氣體在爐內(nèi)的分布，可嘗試從縮小入爐燒結(jié)礦粒度范圍以及開發(fā)新型布料裝置展開進(jìn)一步研究。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)礦； 豎冷爐； DEM； 粒徑分布； 孔隙率
1 引言
中國燒結(jié)工序能耗約占整個(gè)鋼鐵行業(yè)的10%~15%，比發(fā)達(dá)國家能耗水平高19%左右。對燒結(jié)余熱進(jìn)行回收成為降低燒結(jié)工序能耗的重要手段。燒結(jié)礦顯熱占燒結(jié)機(jī)總輸出熱量的35%~40%，且品質(zhì)高、數(shù)量大、易被空氣介質(zhì)攜帶，因此成為燒結(jié)余熱資源回收的重點(diǎn)。目前中國鋼鐵企業(yè)燒結(jié)顯熱回收主要在環(huán)冷機(jī)上進(jìn)行，存在耗風(fēng)量大、漏風(fēng)率高、粉塵逸出多、顯熱回收效率低等弊端。針對上述不足，學(xué)者借鑒干熄焦技術(shù)，提出了燒結(jié)礦顯熱豎式回收工藝，其核心環(huán)節(jié)在于豎冷爐內(nèi)高溫?zé)Y(jié)礦與冷卻氣體的逆流換熱。相關(guān)學(xué)者就燒結(jié)礦填充床高度和直徑、氣體流速、氣料比、冷卻氣體溫度等參數(shù)對豎冷爐內(nèi)氣體壓降特性以及礦-氣換熱特性的影響展開了大量研究，并以熱煙氣值為指標(biāo)對上述參數(shù)進(jìn)行了取值優(yōu)化。但現(xiàn)有研究往往將燒結(jié)礦填充床簡化為均勻分布的多孔介質(zhì)，忽略了燒結(jié)礦分布對氣-固換熱的影響。事實(shí)上，由于實(shí)際生產(chǎn)過程中入爐燒結(jié)礦粒度范圍達(dá)0~150 mm，豎冷爐內(nèi)極易產(chǎn)生燒結(jié)礦的偏析分布，導(dǎo)致燒結(jié)料層孔隙率分布不均，冷卻氣體無法充分與燒結(jié)礦換熱。因此，研究豎冷爐內(nèi)燒結(jié)礦的分布特性對改善氣固換熱效率具有重要意義。
研究冶金反應(yīng)器內(nèi)爐料分布規(guī)律主要采用物理試驗(yàn)和離散元模擬2種方法。物理試驗(yàn)研究時(shí)，通常將工業(yè)設(shè)備按比例縮小至實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，并通過相似原理確定試驗(yàn)條件參數(shù)。開展物理試驗(yàn)成本較高，難度較大，而且由于測量條件限制，只能得到一些宏觀的物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律，難以精確獲得物料粒徑分布、孔隙率分布以及速度分布等微觀信息。因此，通過跟蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)從而獲得整個(gè)顆粒體系宏觀性質(zhì)的離散單元法逐漸成為研究物料分布的主要方法。XU W X等建立了4 070 m3無頂料鐘并罐式高爐布料系統(tǒng)的全模型，利用離散元法研究了爐料在裝料過程中的偏析分布現(xiàn)象。WEI H等研究了高爐爐喉中料層孔隙率的分布及其在裝料過程中沿徑向和縱向分布的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)不同粒徑顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對徑向孔隙率分布有影響。ZHOU H等就不同爐料形狀對COREX豎爐內(nèi)氣流分布的影響進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)不同爐料形狀會(huì)影響顆粒分布，引起顆粒級配差異，使得“V”形爐料產(chǎn)生最大孔隙率。KOU M Y等建立了COREX-3000上部3D模型，研究了布料過程中，不同底基形狀對爐料分布和徑向粒度分布的影響，指出為獲得理想的爐料和氣體分布，布料矩陣和底基形狀需要很好地匹配。豎冷爐是一種“黑箱”式的新型換熱設(shè)備，目前對爐內(nèi)燒結(jié)礦顆粒分布規(guī)律的研究鮮有報(bào)道?；诖耍疚囊悦蜂撠Q冷爐單料倉準(zhǔn)三維扁平模型為基礎(chǔ)，采用離散單元法追蹤了豎冷爐從布料到穩(wěn)定運(yùn)行過程中燒結(jié)礦物料的分布變化規(guī)律，同時(shí)得到了穩(wěn)態(tài)條件下燒結(jié)礦分布和孔隙率分布的微觀信息，以期為改善梅鋼豎冷爐存在的排礦溫度不均勻且偏高、排氣溫度不穩(wěn)定且偏低等問題提供理論依據(jù)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)布料結(jié)束后，大顆粒主要分布在“上部邊壁三角區(qū)”和“中心三角區(qū)”，小顆粒主要分布在“副對角線區(qū)”。
(2)排料900 s后豎冷爐基本達(dá)到燒結(jié)礦穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)爐內(nèi)存在3種流動(dòng)區(qū)域：在爐腔邊壁區(qū)域和中心風(fēng)帽上方區(qū)域形成準(zhǔn)靜止區(qū)；在爐腔中間區(qū)和中心區(qū)形成活塞流區(qū)；在下料通道內(nèi)形成匯聚流區(qū)。
(3)穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，爐腔中心區(qū)含有更多的10~25 mm和25~40 mm顆粒；爐腔中間區(qū)則布有更多的40~80 mm和80~150 mm的顆粒；對于爐腔邊壁區(qū)中上部，25~40 mm和40~80 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高，而下部80~150 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。上述燒結(jié)礦分布使?fàn)t腔邊壁區(qū)和中間區(qū)發(fā)生大顆粒偏析，爐腔中心區(qū)發(fā)生小顆粒偏析。孔隙率的分布與粒徑偏析分布有所不同，呈現(xiàn)爐腔邊壁區(qū)和中心區(qū)孔隙率較大、中間區(qū)孔隙率較小的“U”形分布。
(4)現(xiàn)有條件下，爐腔邊壁區(qū)燒結(jié)礦料層透氣性更好，導(dǎo)致冷卻氣體易從邊壁區(qū)偏行逸出，從而影響高溫?zé)Y(jié)礦與冷卻氣體的換熱效率。為改善爐內(nèi)冷卻氣體的分布，應(yīng)對豎冷爐內(nèi)燒結(jié)礦的分布展開優(yōu)化?？蓮膬煞矫嬲归_研究，第一，可通過篩分或破碎等方法嘗試縮小入爐燒結(jié)礦粒度范圍，減少爐內(nèi)燒結(jié)礦因多粒度堆積而形成的緊密區(qū)域以提高料層孔隙率；第二，現(xiàn)有豎冷爐的布料管只能夠?qū)涨徊剂蠒r(shí)燒結(jié)礦的落料進(jìn)行調(diào)節(jié)，在物料填充完畢后難以調(diào)節(jié)燒結(jié)礦的落料位置，因此，可嘗試研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)布料的新型布料裝置。
