烧结矿余热罐结构分析★

果晶晶

（河北科技工程职业技术大学资源与环境工程系， 河北 邢台 054035）

烧结矿余热罐回收工艺是一种新型的烧结矿显热回收工艺，与传统环冷机或带冷机相比，其提高了烧结矿显热回收率，降低了废气和粉尘排放量，对降低烧结能耗、促进企业节能减排和清洁生产具有重要意义。余热罐作为其中的关键设备，其结构及操作参数会影响烧结矿和冷却空气在罐内的气固换热，从而影响出口冷空气所携带余热的“量”和“质”、从罐体排出的烧结矿温度以及后续的发电量[1-2]。

目前，国内外学者在烧结矿余热罐回收工艺与操作参数优化、气固换热模型等方面做了许多的研究，而针对余热罐结构设计优化方面的研究却相对较少。本文主要对烧结矿余热罐结构方面的研究情况进行具体分析，以期为烧结矿余热罐结构的优化设计提供一定的借鉴。

1 干熄焦炉结构研究现状

烧结矿余热罐属于竖炉。而竖炉是燃料炉中的一类，炉身直立，大部分空间填满块状料，炉气经料层孔隙自下向上流动。与烧结矿余热罐相关的竖炉主要是干熄焦炉，干熄焦炉是典型的气固换热式竖炉。

干熄焦工艺是瑞士舒尔查公司在1917 年率先研发的，并建成了世界上第一套干熄焦设备，虽然装置不够成熟，但引起了人们浓厚的兴趣。1920 年—1940年期间主要建成的干熄焦结构形式主要包括多室式、地上槽式、罐室式、地下槽式，规模一般较小，同时还存在着投资高、实用价值低、工艺较复杂、蒸汽供应不稳定等问题。1937 年前苏联焦化设计院提出利用氮气作为惰性气体进入干熄焦炉与焦炭进行热交换，通过预存室实现干熄焦连续稳定生产，以此保证蒸汽连续供应。进入20 世纪70 年代后，干熄焦技术进入快速发展时期[3]。

1985 年，我国开始应用干熄焦技术。随着该技术的推广，我国干熄焦技术在干熄槽高径比、改进斜道孔、加设给水预热器等方面做了大量创新，促进干熄焦设备向高效化、大型化方向发展。

烧结矿余热罐和干熄焦炉装置结构一样，都是典型的气固换热装置。为了使余热罐回收工艺更高效地应用于工程实践中，合理的余热罐结构形式尤为重要，现在借鉴干熄焦炉技术的基础上对余热罐结构进行优化。

但烧结余热罐又有别于干熄焦炉，主要表现在两者物料性能参数不同：烧结余热罐的物料为烧结矿，干熄焦炉的物料为焦炭；烧结矿粒度在10～40 mm 内居多，焦炭粒度以40～60 mm 占主导；烧结矿入口温度在650 ℃左右，而焦炭在1 000 ℃左右；烧结矿的堆密度为1 700 kg/m3，焦炭的堆密度为563 kg/m3。因此，烧结矿余热罐结构形式在借鉴干熄焦技术的基础上，需根据烧结矿本身的特性进行确定。

2 烧结矿余热罐结构研究现状

2.1 烧结矿余热罐结构形状的分析

目前国内有关烧结矿余热罐回收装置结构形状的研究文献相对较少，也未进行过深入的研究。毕传光等[4]借助数值模拟的方法，优化了梅钢烧结矿余热罐回收装置的结构形状，得出矩形烧结矿余热罐为较佳的余热罐结构形状；并采用增加进/排料口个数的形式，即将进/排料口由1 个变成6 个，来减少烧结矿颗粒滚落造成的物料偏析问题。然而，不同结构形状的余热罐在余热回收过程中的优劣仍需借助许多实验、模拟等来进行分析判断，以确定最佳的余热罐结构形状。

2.2 烧结矿余热罐结构参数的分析

烧结矿余热罐结构设计与回收利用工艺分析是借鉴干熄焦工艺中干熄焦炉的结构和原理进行的，通过冷空气回收热烧结矿显热[5]。烧结矿余热罐一般由预存段、斜道段、冷却段和出料段四个区域组成，如下页图1 所示。

图1 烧结矿余热罐结构

作为烧结矿余热罐热量交换关键场所的冷却段，其设计的好坏决定着余热罐的热回收效率。陈士柏等[6]借助Fluent 和Comsol 数值模拟软件，建立烧结矿余热罐数学模型，模拟并分析了不同的气固比及不同的冷却段高度对百公斤级罐内气- 固流动与热交换以及料层阻力特性的影响；得出增加余热罐冷却段高度，会使冷却空气温度升高，烧结矿温度降低，空气出口携带的火用值先增后趋平缓的结论，该模拟结果与生产实际相吻合；在保持余热罐冷却高度不变的情况下，余热罐直径变小，烧结矿出口温度渐小，冷却风出口温度渐大。由此可见，烧结矿余热罐冷却段高度和直径的选定对于烧结余热回收有着重要的影响，因此，仍需大量的实验、数值模拟来进一步确定其最佳值[7]。

布料装置可将上料系统中旋转料罐运来的热烧结矿按数量装入余热罐体并合理分布。布料装置需满足密封好、布料均匀、设备简单、便于维修、寿命长、运行平稳可靠等要求，其中最关键的要求是布料均匀。为此，侯朝军等[8]采用六口（双排三料口）布料形式来保证布料的均匀性，以克服存在的单口布料不均问题；排料形式亦如此，为六口排料。通过六口均匀布料与六口均匀排料，实现了烧结矿在罐内的均匀分布，从而提高烧结矿冷却的均匀性，减少其局部的偏析。烧结矿余热罐底部设计成矩形结构，底部布置的供气装置采用环形供风、锥斗出风的形式，并在环形风道间均匀布置支撑件。罐体周边的冷风经过十字风道向六个下料口供风，每个料口的中心风帽向料口四周锥斗供风，最终形成由罐体四周向料口中心、随后由料口中心向料口四周的供风形式，从而实现烧结矿的均匀冷却。

孙俊杰等[9]对因一次偏析造成不同喉管处的颗粒度差异问题，确定在缓冲仓加入分料板设计，并采用离散单元法对其进行了分析。研究表明，增加喉管处大颗粒烧结矿量，有利于中心配风占比的提高。此外，为改善二次偏析的问题，还对罐底的直通喉管进行了探索及优化，将1 个喉管分割成4 个分流管，从而使整个平面内小颗粒烧结矿分布更均匀。

2.3 烧结矿余热罐结构优化分析

张将等[10]采用片体建模、2D 网格单元的有限元分析方法，对中信重工机械股份有限公司烧结矿余热罐的结构进行了优化设计研究。通过编辑已分组的片体单元厚度，并进行多方案计算，模拟出对应的余热罐变形、Mises 应力分布，在有效提高计算效率的同时，也显著缩短了结构设计周期，该分析计算法对大型炉体结构的初步设计具有很好的借鉴意义。

3 结论

1）我国钢铁企业对余热回收利用越来越重视，烧结矿余热罐回收技术是非常具有前景的技术，随之余热罐的结构形式对余热回收效率的影响也引起了广泛的重视。

2）不同结构形状的烧结矿余热罐在余热回收过程中的优劣仍需进一步分析，以确定最佳的余热罐结构形状。

3）余热罐冷却段的高度和直径对余热回收起着关键作用，可进一步确定最佳冷却段高度及直径。

4）六口进/排料的矩形烧结矿余热罐为目前较佳的余热罐结构形式。但对于更好的余热罐结构形式，则仍需借助大量的实验以及数值模拟来开展更深入地研究。