鋼鐵廠燒結(jié)廢氣雙通道余熱鍋爐流場數(shù)值模擬

在鋼鐵工業(yè)的各工序中，燒結(jié)工序能耗占總能耗的10%~20%，是僅次于高爐的第二大能耗工序00.在燒結(jié)工序總能耗中，有50%左右的熱能以燒結(jié)余熱煙氣的顯熱形式排入大氣0.燒結(jié)余熱直接排放，不僅造成二次能源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，給人民生活健康帶來較大危害。因此，合理回收利用燒結(jié)余熱煙氣對鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排工作有非常重要的意義。

　　鋼鐵廠燒結(jié)廢棄余熱，雖然在提供生活熱水、燒結(jié)點(diǎn)火器助燃、預(yù)熱燒結(jié)混合料等方面都有定的應(yīng)用H，但大部分僅停留于產(chǎn)生低容量低品位蒸汽或熱水利用，從能源的高效利用來說，效率不高。近年來，我國對高能耗行業(yè)節(jié)能減排十分重枧國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要提到“重點(diǎn)研究開發(fā)冶金、化工等流程工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)等主要高耗能領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)與裝備H.利用燒結(jié)冷卻系統(tǒng)中的中低溫廢氣通過余熱鍋爐產(chǎn)生高流量和高參數(shù)蒸汽發(fā)電或作為動(dòng)力直接拖動(dòng)機(jī)械是最為有效的余熱利用方式5.雙壓雙通道余熱鍋爐63，可以使不同溫度的煙氣從不同的通道進(jìn)入鍋爐，產(chǎn)生兩種不同參數(shù)的蒸汽用于驅(qū)動(dòng)配備的雙壓補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)。這種雙壓發(fā)電工藝充分利用了不同品位的熱源，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級利用和分級回收，得到較高的余熱利用效率。

　　雙通道雙壓余熱鍋爐由于形式新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前國內(nèi)外尚無爐內(nèi)流場的。低溫?zé)煔馔ǖ篮透邷責(zé)煔馔ǖ涝谌肟谔幵O(shè)有分隔板，防止兩種不同初溫的煙氣直接混合，造成能源品味的降低。高溫過熱器和高壓蒸發(fā)器布置在高溫?zé)煔獾倪M(jìn)口，以獲得更高參數(shù)的蒸汽。燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.表1雙通道雙壓余熱鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)數(shù)值煙氣流量/m31h-1煙氣溫度/C高壓蒸發(fā)量/fh-1高壓過熱蒸汽溫度/C高壓過熱蒸汽壓力/MPa低壓過熱蒸汽壓力/MPa低壓過熱蒸汽溫度/C排煙溫度/C 2數(shù)值模型與建模2.1湍流模型本模擬中氣相湍流流動(dòng)的模擬選用的是可實(shí)現(xiàn)的k -s雙方程模型，其方程組的通式68為p通用因變量；r輸運(yùn)系數(shù)；相對于標(biāo)準(zhǔn)k-S模型，可實(shí)現(xiàn)k-S模型包含了一個(gè)新的計(jì)算湍流動(dòng)力粘度公式，而且模型中的湍流動(dòng)能耗散率方程和標(biāo)準(zhǔn)k-模型不同。通過修正后的標(biāo)準(zhǔn)k-S模型，明顯地提高了對平面射流以及圓射流擴(kuò)散率的模擬精度。

　　可實(shí)現(xiàn)的k-模型的湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率的輸運(yùn)方程為k方程e方程一」

　　Gb由于浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；S9、用戶自定義源項(xiàng)；計(jì)算結(jié)果基本無變化。進(jìn)出口分別采用速度進(jìn)口和壓力出口邊界條件。

　　雙通道余熱鍋爐網(wǎng)格劃分3數(shù)值模擬結(jié)果及分析bookmark4為平均旋轉(zhuǎn)率張量）；卜、流體粘度和湍流粘度。

　　2.2多孔介質(zhì)模型為了模擬煙氣穿過換熱器時(shí)產(chǎn)生的阻力，采用了多孔介質(zhì)模型63.多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程具有附加的動(dòng)量源項(xiàng)，該源項(xiàng)由兩部分組成，一部分是粘性損失項(xiàng)，另一個(gè)是內(nèi)部損失項(xiàng)M 3.1壓力場分布和是余熱鍋爐壓力分布計(jì)算結(jié)果。由圖可見，高溫?zé)煔馔ǖ篮偷蜏責(zé)煔馔ǖ肋M(jìn)口段壓力分布不均勻性較大，表明其流動(dòng)不夠均勻，尤其是低溫?zé)煔馔ǖ栏鼮閲?yán)重。這會(huì)對鍋爐內(nèi)的各受熱面的換熱產(chǎn)生不良影響。根據(jù)計(jì)算，余熱鍋爐的煙氣阻力總計(jì)約1210Pa，與鍋爐實(shí)際運(yùn)行值1300Pa比較接近，說明數(shù)值模擬準(zhǔn)確度較高，理論模型可行。

　　流體動(dòng)力粘度；D、C規(guī)定的矩陣。

　　在多孔介質(zhì)單元中，動(dòng)量損失對于壓力梯度有貢獻(xiàn)，壓降和流體速度（或速度方陣）成比例。

　　在多孔介質(zhì)中，默認(rèn)的情況下Fluent會(huì)解湍流量的標(biāo)準(zhǔn)守恒方程。因此，在這種默認(rèn)的方法中，介質(zhì)中的湍流被這樣處理：固體介質(zhì)對湍流的生成和耗散速度沒有影響。如果介質(zhì)的滲透性足夠大，而且介質(zhì)的幾何尺度和湍流渦的尺度沒有相互作用，這樣的假設(shè)是合情合理的。

　　采用多孔介質(zhì)模擬余熱鍋爐中的換熱器，雖然作定簡化，但避免了實(shí)際換熱器復(fù)雜的幾何建模和網(wǎng)格劃分。

　　2.3幾何模型及網(wǎng)格劃分雙通道余熱鍋爐的網(wǎng)格劃分見。采用多孔介質(zhì)換熱模型模擬余熱鍋爐中的換熱器，以簡化鍋爐結(jié)構(gòu)。采用規(guī)則的結(jié)構(gòu)化六面體對鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算的精度和速度。總網(wǎng)格數(shù)目為86萬，已進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，采用2倍網(wǎng)格加密，和為余熱鍋爐內(nèi)的溫度場分布情況。

　　數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，兩股高溫?zé)煔饨?jīng)過各級換熱器后，溫度逐步降低。而且在高溫、低溫?zé)煔鈪R合后，各級換熱器內(nèi)的煙氣溫度比較均勻，這表明該余熱鍋爐各級換熱器設(shè)計(jì)合理。然而高溫?zé)煔馔ǖ肋M(jìn)口段區(qū)域的煙溫偏差較大，尤其是隔板附近出現(xiàn)局部高溫區(qū)，說明該區(qū)域存在較明顯‘’煙氣走廊“，此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理。爐膜出口的排煙溫度為161C，與鍋爐的實(shí)際運(yùn)行值150C比較符合。

　　煙氣通道內(nèi)壓力分布余熱鍋爐內(nèi)速度場分布余熱鍋爐內(nèi)溫度場分布⑷低溫?zé)煔馔ǖ溃╞）高溫?zé)煔馔ǖ愧鹊蜏責(zé)煔馔ǖ愧砀邷責(zé)煔馔ǖ懒私庥酂徨仩t內(nèi)的煙氣流速分布非常重要，良好均勻的流場分布不僅有利于提高換熱效果，也有助于降低余熱鍋爐整體阻力，降低運(yùn)行成本。

　　和為余熱鍋爐內(nèi)的速度場分布情況。

　　計(jì)算結(jié)果表明，鍋爐高溫?zé)煔馔ǖ纼?nèi)的流速比較均勻，僅在進(jìn)口段存在局部回流區(qū)。而低溫?zé)煔馔ǖ纼?nèi)的流速分布不均勻程度較大，存在高速氣流直接沖刷后排爐墻情況，最高速度可達(dá)28m/s.由此可見該余熱鍋爐進(jìn)口區(qū)域結(jié)構(gòu)不夠合理，應(yīng)設(shè)計(jì)多個(gè)導(dǎo)流板以改善流動(dòng)情況。同樣，在余熱鍋爐出口由低溫?zé)煔馔ǖ浪俣葓龇植加谌狈Ρ匾�的�?dǎo)流裝置，也存在流動(dòng)不均勻現(xiàn)象。

　　在兩個(gè)煙氣通道的交匯處，兩股煙氣在隔板底部“串氣”現(xiàn)象不明顯，僅有少量低溫?zé)煔鈾M向流往高溫?zé)煔馔ǖ馈Ｈ欢�，在高溫�(zé)煔馔ǖ纼?nèi)，由于換熱器與隔板之間距離過大，使部分煙氣“短路”直接進(jìn)入至高壓蒸發(fā)器1受熱面。

　　⑷低溫?zé)煔馔ǖ溃╞）高溫?zé)煔馔ǖ烙酂徨仩t內(nèi)煙氣流線分布為余熱鍋爐內(nèi)煙氣流線分布情況，由圖可見，低溫?zé)煔馔ǖ赖膮^(qū)域進(jìn)口段存在明顯的煙氣回流，而高溫?zé)煔馔ǖ肋M(jìn)口段的回流現(xiàn)象較輕一些，同時(shí)余熱鍋爐出口的流場不佳，而在換熱器內(nèi)部區(qū)域的流場分布情況要好得多。

　　（下轉(zhuǎn)第556頁）張翔，周維權(quán)，蔣蜀峰。天然氣凈化廠脫硫單元低負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能措施。石油石化節(jié)能，2012（8）：41-42.張劍波，宋麗麗，唐丹。靖邊氣田第二凈化廠空冷器節(jié)能改造效果評價(jià)。石油化工應(yīng)用，2011，30白建軍，馮啟濤，郭增民，等。天然氣凈化廠冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式改造簡論。油氣田環(huán)境保護(hù)，2011，21李曉娟，譚軍，陳秀玲，等。一元化生活污水處理工藝在天然氣處理廠的應(yīng)用。石油化工應(yīng)用，2012（2）趙傳義，陳天兵，張俊明。城市BOT污水處理廠節(jié)能降耗研究。節(jié)能技術(shù)，2009，27（6）：564王新勝。火炬點(diǎn)火裝置的性能及在生產(chǎn)運(yùn)行中調(diào)試方法和技巧。化工進(jìn)展，2012（S2）：313（上接第515頁）4結(jié)論程湍流模型和多孔介質(zhì)模型，對雙通道燒結(jié)余熱鍋爐進(jìn)行流場模擬，得到以下結(jié)論：余熱鍋爐煙氣阻力和爐膜出口排煙溫度的數(shù)值模擬結(jié)果與鍋爐實(shí)際運(yùn)行結(jié)果比較符合，說明數(shù)值模擬準(zhǔn)確度較高，理論模型可行；在高溫、低溫?zé)煔鈪R合后，各級換熱器內(nèi)的煙氣溫度比較均勻，這表明該余熱鍋爐各級換熱器設(shè)計(jì)合理。然而高溫?zé)煔馔ǖ肋M(jìn)口段區(qū)域的煙溫偏差較大，說明該區(qū)域存在較明顯‘’煙氣走廊“，此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理；鍋爐高溫?zé)煔馔ǖ纼?nèi)的流速比較均勻，僅在進(jìn)口段存在局部回流區(qū)。而低溫?zé)煔馔ǖ纼?nèi)的流速分布不均勻程度較大，存在高速氣流直接沖刷后排爐墻情況，最高速度可達(dá)28m/s.由此可見該余熱鍋爐進(jìn)口區(qū)域結(jié)構(gòu)不夠合理，應(yīng)設(shè)計(jì)多個(gè)導(dǎo)流板以改善流動(dòng)情況。