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1.1竖罐结构形式的确定

1.1.1 竖罐结构形式确定依据

首选要保证完成罐内气固热交换充分，主要取决于两点：气固热交换时间充足；气固接触充分。气固热交换时间主要取决于料层高度和气固之间的相对速度，气固接触充分主要取决于边缘效应、料层分布等这些影响料层孔隙率分布的因素。因此，竖罐高度要保证充足的气固热交换时间，竖炉的横面积足够大以克服边缘效应的影响。从克服边缘效应来考虑，竖罐采用圆形横截面比其他形状的横面截面要好些。其次要保证罐体实现均匀进料、顺畅排料。进料结构可以借鉴炼铁高炉，如采用料钟结构；也可借鉴干熄炉的结构；排料结构，较为成熟，可借鉴干熄炉结构 [9]。最后要保证罐体实现冷却空气密封性，且保证出口热风即冷却空气温度的稳定性。冷却空气的密封性可通过罐体结构来实现，如采用料钟式进料结构。气固接触时间一致是保证冷却空气温度稳定的必要条件，因此，罐体结构上必须满足这一点。这一点，可借鉴干熄炉中预存段和冷却段的做法，即采用预存段来缓冲批次进料造成的料位波动，而冷却段内料位始终是满料位。

1.1.2 竖罐结构形式及其特点

整个竖罐可分为竖罐体、进排料系统、进排风系统等，如图1所示[10]。罐体自上往下依次为加料装置、预存段、冷却空气出口、冷却段、布风装置、卸料装置等。其中，预存段内，烧结矿料位随着物料的批次加入而产生一定程度的波动，但最低料位一定在冷却空气出口所在的中心线以上。基于此，冷却段内一定充满着烧结矿，烧结矿的冷却时间保持一致，即气固接触时间一致。

1.2竖罐式余热回收利用工艺流程的确定

罐体内，将烧结矿所携带的显热传递给冷却空气；冷却空气再将其所携带的能量通过余热锅炉转换为过热蒸汽的能量；过热蒸汽驱动汽轮机-发电机系统发电。基于此，借鉴干熄焦工艺流程，构建竖罐式余热回收利用工艺流程（如图2）[8,9]。

整个工艺系统主要由气固热交换装置即冷却罐体、余热锅炉、汽轮机-发电机等3部分组成。倒料罐容纳来自于烧结台车的经过简单破碎的炽热烧结矿，而后被牵引至冷却罐体旁，再被提升机提升至罐体顶部，然后，向冷却罐体顶部中心移动；这时，与装料装置连为一体的冷却罐体顶盖自动打开，提升机放下倒料罐，烧结矿开始被装入冷却罐体内；装料完毕后，冷却罐体炉盖自动关闭。热烧结矿在预存段预存一段时间后，随着冷却完毕烧结矿的不断排出而逐渐下移至冷却段。冷却段内，烧结矿与循环气体进行热交换而得以冷却，然后再经振动排料器、旋转密封卸料阀，然后经由专用皮带排出。从冷却罐体出来的热空气温度为500~550℃。这部分热空气经一次除尘后进入双压余热锅炉（如图2），而后从锅炉中排出，依次经过除尘加压后，经过给水预热器后进入罐体底部，作为部分冷却空气。

1.3罐式余热回收工艺流程的优点

同传统的基于带式冷却机余热回收工艺流程相比，罐式余热回收利用工艺流程具有以下优点：

1.3.1 气固热交换充分，出口热空气能级较高

首先，冷却罐体内，烧结矿与冷却空气之间的传热属于逆流式换热，其传热效率要比带式回收机的较差措流式换热要高一些。其次，冷却竖罐内，烧结矿料层的高度要远大于传统带冷机内的料层高度，因此，气固传热时间较长；同时，恒定的冷却段料层高度，使得出口热空气的量质比较稳定。因此，同传统的带式冷却机相比，冷却竖罐内气固热交换比较充分且稳定，出口热空气能级较高，出口烧结矿的温度较低，烧结矿余热回收利用率较高。

1.3.2 冷却罐体漏风率低，颗粒物排放量小

料钟式装料结构、旋转密封卸料阀等装置，使得冷却罐体的漏风率接近于零，同时使得颗粒物也得较好地控制。这样，就保证了冷却罐体余热回收利用率较高。

1.3.3 冷却物料品质得到明显提高

以烧结矿为例，竖罐式余热回收方式设有预存段，其保温作用使烧结矿的转鼓强度、成品率、烧结矿冶金性能方面比传统冷却机都有所提高。分析其原因：矿相组成方面，首先这种冷却制度的烧结矿的微观结构比较致密、气孔率很少，对成品率提高很有利；另外熔融形的磁铁矿和针状铁酸钙所形成的熔融结构也极有利于改善其成品率；同时烧结矿预存段进行温度均匀化和残存挥发分析出过程，因而经过预存段，烧结矿成熟度得到进一步的提高，生矿基本消除；其次在冷却塔内向下流动过程中，烧结矿受机械力作用，脆弱部分及生矿部分得以筛除，成品率得到提高。烧结矿在向下流动过程中，采用热风冷却后，烧结液相冷却速度变缓，玻璃相减少，内应力得到释放，烧结矿质量更加均匀。

经估算，竖罐式余热回收的余热回收率（得以回收的热量与烧结矿所携带的显热之比）约为80%，而传统冷却机形式的余热回收效率仅为54%。以国内某360m2大型烧结机为例，采用罐式回收所回收的热量比传统冷却机多1.15×108kJ/h，折合3.96tce/h。

2烧结竖罐式余热回收利用的2个关键问题

从干熄焦专利的提出到其工程化研发再到工程化的普遍推广，经历了50-60年的时间[11]。作为烧结矿余热回收利用的探讨途径之一，烧结矿余热竖罐式回收利用是否可行、如何实施，必然要历经理论上的认真论证与实践上的长期考验。只有可行，才能去考虑其如何实施。竖罐式余热回收利用是否可行，主要考虑以下2个问题：

一是料层阻力特性问题。冷却空气自罐体下部流入，而后与料层进行热量交换。气固充分接触是保证气固进行充分热交换的必要条件。气固充分接触的前提之一就是气体流经料层的阻力不能过大，否则，过高的料层压力损失造成罐式回收的经济性能难以保证，甚至造成气流难以通过料层；二是罐体料层内气固传热问题。气固传热，决定了烧结矿的冷却效果以及热载体（即空气）所携带余热的火用值。关于这两个问题，笔者连同研究小组成员，开展了初步的研究[12,13]。

2.1减小罐体内料层阻力损失的技术问题

这里，先阐述烧结矿层内阻力基本特性，藉此提出了减小烧结矿层阻力的主要途径。

2.1.1 罐体内烧结矿层阻力基本特性

笔者所在研究团队，通过实验和数值计算分别得到了烧结矿料层阻力关联式。

基于烧结矿在罐体内移动缓慢，以固定床代替移动床，建立了炉内尺寸0.9m（长）×0.9m（宽）×3.4m（高）的实验装置，得出了影响料层内阻力特性的主要因素，并基于传统Ergun公式模式，拟合出了单位料层高的阻力损失[12,14]。研究表明：影响罐式气固阻力特性的主要因素是：颗粒当量直径、表观流速、颗粒温度及边缘效应等。其中，烧结矿单位料层压力损失随着烧结矿颗粒尺寸的增加而减少，随着颗粒表观流速的增加而增加；冷态烧结矿单位料层压力损失进行线性拟合，拟合方程为：

               （1）

当烧结矿颗粒有温度变化时，引入气体状态方程对Ergun方程进行修正，修正方程为：

            （2）

如上各式中的符号含义请参见文献[12]，下同。

同时得出，表观流速范围为1~2m/s，根据Ergun方程修正公式，实际生产烧结矿单位料层压力损失范围为1.1~2.5kPa。

杨益伟在张浩浩实验研究烧结矿层阻力特性的基础上，细化了各项工况研究，并采用量纲分析构造反映料层阻力特性的无因次数群的经验关联式，利用回归分析确定经验关联式的系数和指数[15]。研究表明：

料层压降阻力式为

                           （3）

(6.25D<2.1×105)

同时得出，表观流速范围约为1~2m/s，此时，单位料层高度压力损失范围为：0.64kPa/m~2.06kPa/m。这一点研究，与文献[12]在流速较小时存在一定偏差。

赵勇采用Fluent软件，同时结合多孔介质模型，利用UDF自定义料层空隙率径向分布函数，藉此研究了罐体床层内气流分布规律及其影响规律，同时研究了料层阻力特性[16]。其中，罐体内单位料层高的阻力特性公式：

                    （4）

如上研究中，公式（3）的阻力经验关联式更为准确，但使用范围较窄；相比之下，公式（1）虽然准确性稍差些，但适应范围更广泛些；而公式（4）的研究具有广泛的适用性。

2.1.2 减小罐体内料层阻力特性的主要技术途径

根据上述研究，减小料层阻力特性的主要技术手段是增大罐体内烧结矿层空隙率，适当设置罐体内冷却段高度和热载体流量。

1）增大罐体内烧结矿层空隙率

影响烧结矿层空隙率最为主要的因素是颗粒直径。研究表明，在一定范围内，烧结矿当量直径越小，罐体烧结矿层内空隙率就越大。一般而言，当量直径在5mm以下的烧结矿一般作为返矿，通常被称为粉矿；粉矿占总烧结矿的质量分数即粉矿含量是影响罐体内烧结矿层空隙率最主要因素之一。

现在通过比对冷却台车内的烧结矿层粉矿率来预估余热回收罐体内的烧结矿层粉矿率：根据生产现场数据，烧结矿的返矿率约为8%~12%，这里取10%。烧结矿从烧结机尾部经过破碎装置，进入环冷机，然后，在环冷机尾部，靠自重落入到输送皮带。烧结矿从烧结机尾部到环冷机这一过程是粉矿产生的主要过程，原因有：烧结矿从烧结机尾部到环冷机这一过程，经过了破碎，又经过了约十几米高度落差的自重落料；从环冷机尾部，经过约3m落差的自重落料；烧结矿转鼓指数等机械性能指标受温度影响不大。综上，烧结矿从烧结机尾部到环冷机这一过程中，产生了80%的粉矿，而剩余的20%源于环冷机尾部靠自重落入到输送皮带这一过程，因此，环冷台车内烧结矿层的粉矿率约为8%。在实施烧结余热罐式回收时，烧结机尾部的烧结矿经过热破碎后，进入导料罐，然后，再由导料罐进入到余热回收罐体的缓存段。从热破碎装置到导料罐的高度落差约为3~4m，从到料罐到罐体内冷却段的高度落差为3~4m，及从热破碎装置落入罐体冷却段的高度落差约为6~8m，小于从热破碎装置落入冷却台车的距离；再考虑从热破碎装置到罐体冷却段的两次导料，因此，余热回收罐体内烧结矿层的粉矿率与冷却台车内烧结矿层的粉矿率几乎差不多，原来所担心的，因两次导料造成烧结矿层空隙率的减小是没有科学依据的。

基于此，如何维持原有的空隙率甚至增大空隙率？尽量降低烧结矿从热破碎装置到料罐、导料罐到余热回收罐体冷却段的高度落差；同时，可以改进热破碎，使得热破碎和冷破碎结合，保证罐体内的烧结矿层保持一定的空隙率。

2）适当设置罐体内冷却段高度

为了与某一烧结机相匹配，余热回收罐体冷却段的高度与直径大小密切相关：罐体直径越大，冷却段高度就越小；反之，罐体直径越小，冷却段高度就越大。罐体直径越大，冷却风分布不均匀的趋势就越大；冷却段高度越高，气流通过烧结矿层阻力损失就越大，与之配套的鼓风机全压就越大。另外一点，冷却段的高度还影响着出口热空气即热载体的温度和流量，即火用值。因此，冷却段高度要与罐体直径、罐体出口热载体综合考虑，即考虑料层阻力不至于过大，有使得冷却风在冷却段内分布尽可能的均匀。根据CDQ干熄炉的设计经验，经过解析计算和数值计算，可知：一台360m2烧结机，其年产390万吨成品矿，与之配套的一个余热回收竖罐，冷却段的高度约为3.70m，罐体的直径为9.00m，冷却空气的流量为55~60万m3/h；此时，气流通过冷却段的阻力损失约为6~7kPa，罐体出口热空气的温度为524℃，所携带的火用值为26496kW,达到最大火用值点。

3）适当设置热载体流量

根据上面阻力特性的研究结果，应尽量减小热载体的流量。但热载体流量的减小，要辩证地来看。保持冷却段的高度，在一定范围内，热载体流量越小，罐体出口热载体的温度就越低；反之，热载体流量越大，罐体出口热载体的温度就越高。热载体的火用值决定与其流量与温度。针对一台360m2烧结机，冷却段的高度约为3.70m，罐体的直径为9.00m时，不用流量下热载体的火用值如表1所示。因此，冷却空气的流量取为55~60万m3/h。

表1 不用流量下热载体的火用值

2.2 强化余热回收罐体内气固传热的技术问题

这里，先阐述烧结矿层内气固传热基本特性，藉此提出了强化气固传热的主要途径。

2.2.1 罐体内烧结矿层内气固传热基本特性

笔者所在研究团队，通过实验和数值计算得到了烧结矿层内气固传热基本特性。

罗远秋搭建了固定床式的实验平台，藉此研究了固定床式烧结矿内气固传热的基本规律[17]；力杰采用COMSOL软件，开展了移动床式气固传热的基本研究，得到了烧结矿层内的气固综合温度分布，研究了影响气固传热的主要因素[13]。研究结果表明：

1）料层高度是影响空气出口温度的因素之一。①生产能力不变，且烧结矿冷却到同一效果时，在一定范围内，随着料层高度的增加，循环空气的出口温度逐渐升高，气料比不断下降，同时，竖罐出口循环空气所携带的火用 值呈现出先增大后减小的趋势。②在生产能力固定不变，且冷却风量不变（气料比不变），在一定范围内，随着料层高度的增加，烧结矿出口温度逐渐降低，同时出口气体平均温度逐渐上升。空气出口携带火用 值呈现先增加后来趋于平稳。因而，料层高度是有一定的范围的。

2）气料比是影响空气出口温度的另一个主要因素之一。在一定范围内，生产能力及料层高度不变，随着气料比的增加，烧结矿的出口温度和循环空气的平均出口温度渐降低，热空气携带的火用 值先增加后减小。

2.2.2 强化罐体内烧结矿层内气固传热的主要技术途径

强化罐体内烧结矿层内气固传热的主要技术途径有：增大罐体内烧结矿层空隙率；适当设置余热回收罐体内冷却段的高度；保证冷却风的均匀分布。其中，增大罐体内烧结矿层空隙率同上，在此不加以赘述；适当设置余热回收罐体内冷却段的高度问题，可参见2.1，这里也不加以赘述。保证冷却风在冷却段的均匀性，主要是通过布风装置。如图3所示。该装置由上锥斗、下锥斗、环形风道、十字风道、中央风帽组成。上、下锥斗与竖罐本体组成的气体分配室被分成完全隔绝的上下两层气室即上气室和下气室，上气室连通环形风道，以周边风环的形式向锥斗中部由外向内供风，下气室连通十字风道，通过十字风道垂直向上给中央风帽供风。形成一种由周边风环由外向内供风及中央风帽从炉体上部由内向外供风相结合的供风形式。

3 结论

1）烧结矿余热竖罐式回收利用是烧结余热资源高效回收利用的一条新的途径，其大胆借鉴了干熄焦中干熄炉的结构和工艺，克服了传统烧结余热回收系统存在漏风率高、烧结矿余热部分回收、载热介质温度较低等弊端。

2）罐体内料层阻力特性、料层内气固传热是罐式回收利用是否可行的2个关键问题。

3）影响罐式气固阻力特性的主要因素是：颗粒当量直径、表观流速、颗粒温度及边缘效应等；减小料层阻力特性的主要技术手段是：增大罐体内烧结矿层空隙率，适当设置罐体内冷却段高度，适当设置热载体流量

4）影响罐式气固传热特性的主要因素是：料层高度和气固比；强化气固传热特性的主要技术手段是：增大罐体内烧结矿层空隙率；适当设置余热回收罐体内冷却段的高度；保证冷却风的均匀分布。

5）竖罐式回收利用技术研发与工程化实施，还需要众多学者和工程技术人员的齐心协力，以及研究院所和钢铁企业的大力支持。

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