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冷却机结构研发及性能研究

赵斌，崔健，屈婷婷，赵利杰，么强，邬志红

(河北联合大学河北省现代冶金技术重点实验室，河北 唐山 063009)

摘 要：依据对流换热的场协同原理，研发了提升余热源品位的双螺旋式冷却机和立式冷却机的结构。并以唐钢烧结环冷机设计参数为基础，选取三个计算工况，进行了高效冷却机与环冷机性能对比分析。结果表明，在工况Ⅱ条件下，烧结立冷机和旋冷机高温回收段温度分别达到520℃和444℃，显热提取率分别达89．6％和80．63％，相比环冷机明显提高。

关 键 词：烧结矿冷却；场协同；立冷机；旋冷机；显热提取率

1 引言

在冷却过程中回收高温烧结矿的显热，是降低烧结能耗的有效途径。实践表明，不同冷却装置决定了不同余热回收工艺^[1]，目前，如何高效提取烧结矿显热已成为钢铁行业二次能源领域研究的重要课题。为全面提升冷却机的性能和效率，达到烧结矿显热耗散最小的目标，进行新型冷却机的结构研发及性能分析，具有重要的学术价值和工程意义。

2 烧结矿冷却过程理论分析

2．1 环冷机冷却过程分析

烧结机生产的烧结矿(650～850℃)从机尾落下，经单辊热破碎后落到环式冷却机(简称环冷机)台车上，环冷机结构如图1a)所示。烧结矿随环冷机台车连续缓慢地移动，同时鼓风机送入的冷却空气经由炉篦穿过，垂直吹入烧结矿床层，与烧结矿换热后温度较高的热废气进入集气罩回收，低温热废气则直接放散，同时烧结矿被冷却到150℃以下。在环冷机内，烧结矿显热以热传导、强制对流的方式传递给通过烧结矿床层的空气。环冷机上烧结矿床层可视为是由若干个台车衔接而成^[3]，环冷机冷却过程如图1b)所示。

以唐钢炼铁厂北区烧结二车间1^#、2^#两台环冷机为例，环冷机热废气随冷却位置的不同划分为高、中、低温三段，即前四个风箱提取的热废气进入高温集气罩，中间五个风箱提取的热废气进入中温集气罩，高温和中温段热废气进入余热锅炉进行梯级利用，回收区域约占冷却区的64％，后五个风箱抽取的热废气直接放散到环境中。环冷机技术参数见表1。

2．2 场协同原理分析

根据场协同原理，对流换热性能不仅取决于流体的速度和物性以及流体和固体壁面的温差，而且还取决于流体速度场、温度场和夹角场间的协同程度。在相同的边界条件下，速度场与温度场协同程度愈好，换热强度就愈高。图2为冷却机内部气固换热的流线与等温线，按烧结矿的运动方向分为水平、倾斜和竖直三种。

冷却机二维边界层热量方程^[3]为：

结合图2和式(2)分析可知，β₁、β₂、β₃分别为烧结矿水平、倾斜和竖直运动时冷却机内空气速度矢量与温度梯度矢量的夹角，且β₃<β₂<β₁<90°。由场协同原理可知，当β<90°时，速度矢量与温度梯度矢量的夹角越小，速度场与温度场协同越好，从而可强化传热。如图2c)，同向，速度场与温度场完全协同，冷却机换热性能最好。同理，图2b)的冷却机换热性能次之，且都优于图2a)。

3 烧结矿高效冷却机结构研发

3．1 立冷机

换热原理如图2c)的烧结矿冷却机称为立式冷却机(简称立冷机)，其基本结构如图3a)。该结构突破了环冷机换热方式的框架，采用罐式热交换密闭装置，烧结矿由上部落下，冷却空气自下而上穿过厚烧结矿料层，形成逆流气固换热，提高了冷却机换热性能^[2,4]。立冷机的冷却过程如图3b)所示，其技术参数和技术特征见表1、表2。

3．2 旋冷机

螺旋式冷却机(简称旋冷机)的基本结构如图4a)所示，其轨道与水平面有约﹣7°的倾角，强化了气固换热性能^[5]。旋冷机由立式双螺旋轨道缠绕组成，烧结矿床层分上、下两层，热破碎后的烧结矿从旋冷机的两个进矿口同时进入，沿各自轨道螺旋向下移动，分别经过各自轨道的上层高温段、中温段、低温段和下层高温段、中温段、低温段，再从出矿口排出。轨道及进矿口均对称布置^[6]。冷却空气自下垂直向上先与下层温度较低的烧结矿换热，再继续与上层温度较高的烧结矿换热，之后进入对称布置的集气罩，风箱对应段同环冷机。旋冷机冷却过程如图4b)所示，其技术参数和技术特征见表1和表2。

4 三种冷却机性能对比分析

在确保高温烧结矿冷却到要求温度以下，冷却机回收段热废气温度越高，烧结矿显热提取率越大，冷却机性能越好。

4．1 计算模型

三种冷却机的换热方式均为多孔介质强制对流换热，物理模型可简化统一为微元上的一维传热问题，烧结矿对流换热模型如图5所示。

温度为t_fi、流速为v₀、定压比热容为c_n密度为ρ_f的气体，流经温度均匀的烧结矿层，烧结矿层厚度为L，温度为t_s；气体出口温度为t_fo，单位体积中烧结矿表面积为A，烧结矿粒径取30mm。

假设换热过程为稳态，流体物性为常数，流体温度仅是y方向的函数，则流经厚度为dL的薄层固体颗粒能量平衡方程为：

υ₀ρ_fc_pd_tf=hA(t_s－t_fm)dL(3)

分离变量积分可得：

模型内换热面积为单位体积内烧结矿颗粒表面积之和。应用到实际工况时，换热面积应乘以AL，可得：由传热方程式及热平衡方程式可得：

式中：Q为单位烧结矿可回收显热量，kJ／kg；Q₀为单位烧结矿显热量，kJ／kg；V为冷却空气体积，m³；△t为冷却气体进出口温差，℃。

4．2 结果及分析

以唐钢炼铁厂北区烧结二车间1^#、2^#两台环冷机为例，冷却机进矿温度分别为700℃、750℃和800℃，出矿温度均为112℃，进口风温取120℃的工况条件下，根据式(3)～式(10)计算三种工况条件下环冷机与旋冷机出口热废气温度分布如图6所示。

从图6分析可知，旋冷机热废气温度在相同时间上均高于环冷机。分段提取的热废气流量和温度见表3，旋冷机三段热废气平均温度较环冷机提高了50～70℃，且低温段温度也可满足余热锅炉使用要求，使热废气被全区回收，没有放散热损失。

按冷却机回收段提取的热废气混合，则环冷机、立冷机和旋冷机热废气回收段计算参数见表3。根据式(11)计算三种工况条件下烧结冷却机显热提取率见表4。

从表3分析可知，立冷机热废气回收段温度最高，余热源品位高，且热废气出口温度恒定，所以热功转换效率最高。旋冷机热废气温度低于立冷机，由于采取分段回收，其热功转换效率低于立冷机，但相比于同样采取分段回收的环冷机，由于其热废气温度整体较高，所以其热功转换效率高于环冷机。

从表4可知，在出矿温度相同的条件下，立冷机显热提取率最高，旋冷机次之，且立冷机与旋冷机的显热提取率明显高于环冷机20％以上。

5 结论

1)针对烧结环冷机普遍存在漏风率高、热废气品位及烧结矿显热提取率低的问题，在不影响烧结工艺的前提下，依据场协同原理，研发了高效的立冷机和旋冷机结构。这两种结构能有效提升余热源品质，全区域回收热废气，实现热废气零放散。

2)以唐钢烧结环冷机设计参数为基础，选取了三个计算工况进行高效冷却机与环冷机性能对比分析。结果表明，在工况Ⅱ条件下，烧结立冷机和旋冷机高温回收段温度分别达到520℃和444℃，分别比环冷机高128℃和52℃；显热提取率达89．6％和80．63％，分别比环冷机提高了33．21和24．24个百分点。

3)烧结余热高效回收的关键在于对口装备的研发。本文提出的高效冷却机结构为中低品位余热高效回收装备的研发提供了理论依据及技术支撑。

参 考 文 献：

[1]   赵斌，杜小泽，崔健，等．烧结旋冷机余热梯级发电技术研究[J]．中国电机工程学报，2012，32(8)：37—43．

[2]   董辉，李磊，刘文军，等．烧结矿余热竖罐式回收利用工艺流程[J]．中国冶金，2012，22(1)：6—11．

[3]   李志信，过增元．对流传热优化的场协同原理[M]．北京：科学出版社，2010：60—69．

[4]   赵斌，张玉柱，王子兵，等．烧结环冷机热工测试及余热源参数确定[J]．钢铁，2010，45(8)：90—93．

[5]   赵斌，张玉柱，苍大强，等．立式烧结冷却机与余热发电工艺研发[J]．烧结球团，2009，34(6)：5—10．

[6]   赵斌，张玉柱，崔健，等．烧结矿双螺旋式冷却换热装置：中国，ZL201110152415．7[P]．2012—12—26．