CN103033064B - 烧结烟气余热回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烧结烟气余热回收装置，包括该装置包括环冷机台车，其前端上部设置有用于收集烟气的环冷罩，该环冷罩的上部设置有与烟道连接的抽气口，其中，环冷罩内设置有烟气导流板，该烟气导流板的边沿与环冷罩的内侧焊接固定，烟气导流板的中部沿其长度方向设置有设定宽度的导流通道。本发明能够最大限度地均匀地吸收环冷机的热烟气，避免了部分热烟气的排放，提升了烟气温度，提高了烟气余热的回收率，余热电站发电功率显著提高。

Description

烧结烟气余热回收装置

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼领域，尤其是一种烧结烟气余热回收装置。

背景技术

烧结生产是整个钢铁工业生产中一个不可缺少的重要环节，目前生产上广泛采用带式抽风烧结机，主要设备有烧结机、抽风机、单辊破碎机、环冷机（带冷机）、胶带运输机等。烧结过程主要分为烧结和冷却两部分：1.矿物粉末（含铁原料、溶剂、燃料等）配料在烧结机上燃烧后形成热烧结饼，2.热烧结饼破碎后料层在环冷机上冷却降温，烧结矿料温度由800~1000℃降至120℃左右，送入胶带运输机。

在烧结过程中，烧结料中燃料燃烧放出大量热量，一部分使料层中矿物产生熔融，一部分则被抽风机抽吸的烟气带走；在冷却过程中，冷风从环冷机下部鼓入，将料层降温，产生大量的烧结烟气。对这两部分烧结烟气余热（包括烧结机烟气余热和环冷机烟气余热），目前绝大部分通过烟囱放散，没有得到合理的利用，浪费了大量的热源。近年来，如何利用这部分余热越来越得到重视，已有部分钢厂的烧结余热开始回收利用发电，其中环冷机部分前段的烟气由于其温度较高（可达350℃以上）、且飞灰含量较低，具有较高的回收利用价值。

由于环冷机较长，且从烧结矿落料口（起始端）到出料口（末端），烧结矿温度从800℃~1000℃降低至120℃左右，烟气温度相应地降低（从500℃左右降低至50℃左右）。目前在有限的环冷机烟气余热回收利用中，基本上是在环冷机前端原有环冷罩上开一个或数个抽气口，将烟气引入余热锅炉产生蒸汽或发电。由于环冷罩和环冷机台车之间有缝隙，且很难密封（环冷罩是静止的，而环冷机是运动的），这必然导致每个抽气口在吸入热烟气的同时也吸入大量的外部冷空气，降低了烟气的品质；而抽气口之间的热烟气则沿着缝隙往外冒，导致这部分烟气的热量白白损失。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种烧结烟气余热回收装置，其能有效地提高抽气口的烟气温度，提升烟气品质，大幅度提高烧结烟气余热的回收率。

为实现上述目的，本发明烧结烟气余热回收装置，包括环冷机台车，其前端上部设置有用于收集烟气的环冷罩，该环冷罩的上部设置有与烟道连接的抽气口，其中，环冷罩内设置有烟气导流板，该烟气导流板的边沿与环冷罩的内侧焊接固定，烟气导流板的中部沿其长度方向设置有设定宽度的导流通道，设d_x为导流通道x处的通道宽度，d_x通过下述方法计算：

u_j(x,h,z)＝f(G₀(x)，d_x，D，h，H，L)        （1）

$G\left(x\right)=2\underset{0}{\overset{d_x/2}{\∫}}\mathrm{\ρ}(x,h,z)u_j(x,h,z)\mathrm{dz}---\left(2\right)$

G₀(x)＝ρ₀W₀×(1-η)/L                     （3）

其中，d_x为x处的通道宽度，D为环冷罩宽度（环冷机台车宽度），h为烟气导流板距离台车上沿的高度，H为环冷罩顶部距离台车上沿的高度，L为环冷罩长度，W₀为环冷罩内总冷却风量，η为环冷机漏风系数。

进一步，所述烟气导流板水平设置，其边沿与所述环冷罩的内侧焊接固定。

进一步，所述烟气导流板底部设置有支撑横梁，该支撑横梁圆钢管或方钢管，其直接焊接在所述环冷罩的侧壁上。

进一步，所述烟气导流板的上部设置有挡灰板，该挡灰板的上部与所述环冷罩的内壁焊接固定，挡灰板的下部与所述烟气导流板的上部焊接固定，挡灰板与烟气导流板之间的夹角为30度～60度。

本发明的特点是通过在环冷罩中布置烟气导流板和挡灰板。在已知烧结矿产量的工况下，即可确定可回收烧结烟气的最大流量，确定环冷罩上抽气口的位置后，利用SIMPLE算法对N-S方程进行求解，即可计算出烟气导流板在不同位置的导流通道，从而能够最大限度地吸收环冷机的热烟气，避免了部分热烟气的排放，提升了烟气温度，提高了烟气余热的回收率。

附图说明

图1为本发明所采用的装置结构示意图；

图2为图1中A-A向截面示意图；

图3为计算域的x-y向图；

图4为计算域的y-z向图；

图5为导流出口流线图一；

图6为导流出口流线图二；

图7为导流出口流线图三；

图8为某一横截面的速度矢量图；

图9为烟气导流板的结构示意图；

图10为改造前的烟气质量流量分布图；

图11为采用本发明后的烟气质量流量分布图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图1、图2所示，本发明烧结烟气余热回收装置，用于回收烧结环冷机的烟气余热，其在工作时，采用以下方法实施：

1）在环冷罩顶部开一个或数个抽气口作为热烟气抽气烟道；

2）在环冷罩内部沿着环冷机轴向水平布置一块烟气导流板；

3）烟气导流板的中部沿环冷机中心线的方向开有设定宽度的导流通道；

4）设d_x为导流通道x处的通道宽度，d_x可以通过下述方法计算得到：

u_j(x,h,z)＝f(G₀(x)，d_x，D，h，H，L)        （1）

$G\left(x\right)=2\underset{0}{\overset{d_x/2}{\∫}}\mathrm{\ρ}(x,h,z)u_j(x,h,z)\mathrm{dz}---\left(2\right)$

G₀(x)=ρ₀W₀×(1-η)/L                      （3）

其中，d_x为x处的通道宽度，D为环冷罩宽度（环冷机台车宽度），h为烟气导流板距离台车上沿的高度，H为环冷罩顶部距离台车上沿的高度，L为环冷罩长度，W₀为环冷罩内总冷却风量，η为环冷机漏风系数。

式（1）为对图3、图4所示的流场进行求解后，x处截面上y方向上的速度分量的一种简化表达，式（2）表示x处环冷罩吸入的烟气质量流量，式（3）表示x处烧结矿释放的烟气质量流量。

由于D、h、H、L、G₀(x)都是定值，因此，u_j(x,h,z)只取决于d_x的变化，亦即设定初始值d_x(x=0，L)，采用SIMLPE算法即可算出u_j(x,h,z)，从而可以确定G(x)。比较G(x)和G₀(x)，当G(x)＝G₀(x)时，此时的设定值d_x(x=0，L)即为所要求的通道宽度。

由于环冷机半径较大，为了计算方便，在一定长度内可以将环冷机中心线简化为直线，计算域见图3、图4。在正常运行状态下，环冷机上的烟气流场可近似地看作恒定流场，且流速很低，为不可压缩流动，因此该流动可以用流线ψ直观地描述。在烟罩内加导流板的情况下，在x处的横截面上，流场呈轴对称分布，对导流出口，ψ＝const的流线为共焦双曲线，如图5、图6、图7所示。

由图5、图6、图7可知，加装导流板后，在x处的横截面上，烟气流场存在三种形式：（1）经过烧结矿出来的热烟气经导流通道全部进入烟罩，同时部分大气冷空气也由导流通道进入烟罩，也即在此处，烟罩既吸入了热烟气，也吸入了冷空气，降低了烟罩内的烟气温度，流线ψ的形式如图5所示；（2）经过烧结矿出来的热烟气一部分经导流通道进入烟罩，一部分从台车和烟罩的缝隙处排出，即在此处，烟罩没能完全吸收烧结矿出来的热烟气，浪费了部分热能，流线ψ的形式如图7所示；（3）经过烧结矿出来的热烟气经导流通道全部进入烟罩，既无大气冷空气由导流通道进入烟罩，热烟气也没有从台车和烟罩的缝隙处排出，也即在此处，烟罩全部且只吸收了热烟气，流线ψ的形式如图6所示。本申请提出的技术要点即是通过导流板的设计，烟气流场达到如图6所示的形式。

为了达到上述效果，必须确定导流板通道宽度d_x，d_x具体计算过程如下：

计算域见图3、图4所示，在流场内烟气流速很低，为不可压缩流动，该流动可以用以下Navier-Stokes方程描述：

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_j\right)}{{\∂x}_j}=0$

$\frac{\∂\left({\mathrm{pu}}_i{u}_j\right)}{{\∂x}_j}=\frac{{\∂\mathrm{\π}}_{\mathrm{ij}}}{{\∂x}_j}$

其中：π_ij＝-pδ_ij+τ_ij

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{\μ}(\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j}+\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_i})-\frac{2}{3}\mathrm{\μ}\frac{{\∂u}_k}{{\∂x}_k}$

在上述方程中，ρ为密度，u_i、u_j、u_k分别为x、y、z三个方向上的速度分量，p为压力，μ为粘性系数，δ_ij为运算系数（i＝j时，δ_ij＝1；i≠j时，δ_ij＝0）。

在给定边界条件（d_x、D、h、H、L），并已知初始条件（出口质量流量G₀、和进口压力P₀）的情况下，对上述N-S方程，采用SIMPLE算法，即可求出整个计算域的流场速度分布。其中，d_x为x处的通道宽度，D为环冷机台车宽度，h为烟气导流板距离台车上沿的高度，H为环冷罩高度，L为环冷罩长度；出口质量流量G₀即为所吸收的烧结烟气的总流量，可以通过环冷罩内总冷却风量W₀和环冷机漏风系数η求出，即G₀＝ρ₀W₀×(1-η)，进口压力P₀则为大气压。

在求出流场速度分布后，则在x处环冷罩吸入的烟气质量流量为

$G\left(x\right)=2\underset{0}{\overset{d_x/2}{\∫}}\mathrm{\ρ}(x,h,z)u_j(x,h,z)\mathrm{dz}.$

由于烧结矿在冷却过程中形态几乎不变，即孔隙率不变，因此可以认为，烟气质量流量沿着环冷机长度方向处处相等，因此，在x处烧结矿释放的烟气质量流量可以表示为G₀(x)＝ρ₀W₀×(1-η)/L。

在边界条件和初始条件中，D、h、H、L、G₀、P₀都是已知条件，只有d_x需要设定。预先设定一组d_x(x=0，L)，即可计算出整个流场速度分布，从而确定G(x)。如果G(x)>G₀(x)，即环冷罩吸入的烟气质量流量大于烧结矿释放的烟气质量流量，说明在此处环冷罩吸入了冷空气，表明d_x偏大；如果G(x)<G₀(x)，即环冷罩吸入的烟气质量流量小于烧结矿释放的烟气质量流量，说明烧结矿出来的热烟气一部分从台车和烟罩的缝隙处排出，表明d_x偏小；修正通道宽度d_x(x=0，L)，再次采用SIMPLE算法，二次求出整个计算域的流场速度分布，比较G(x)和G₀(x)，如果G(x)≠G₀(x)，则再次修正通道宽度d_x(x=0，L)，反复计算，直到G(x)＝G₀(x)，即环冷罩吸入的烟气质量流量等于烧结矿释放的烟气质量流量，烧结矿出来的热烟气经导流通道全部进入烟罩，既无大气冷空气由导流通道进入烟罩，热烟气也没有从台车和烟罩的缝隙处排出，也即在此处，烟罩全部且只吸收了热烟气，见图8，此时的d_x即为所要求的通道宽度，导流板结构示意图见图9。

本发明烧结烟气余热回收装置，包括环冷机台车1、环冷罩2、烟气导流板3、挡灰板4、支撑横梁5、抽气口6。

环冷机台车1的前端上部设置有用于收集烟气的环冷罩2，环冷罩2的上部设置有与烟道连接的抽气口6，环冷罩2内水平设置有烟气导流板3，烟气导流板3的边沿与环冷罩2的内侧焊接固定，烟气导流板3的中部沿其长度方向设置有设定宽度的导流通道7。

烟气导流板3的上部设置有挡灰板4，挡灰板4的上部与环冷罩2的内壁焊接固定，挡灰板4的下部与烟气导流板3的上部焊接固定，挡灰板4与烟气导流板3之间设置的夹角为30度～60度。这样烟气中的飞灰颗粒落到烟气导流板3上部后将顺延挡灰板4滑落，从而保证烟气中的飞灰颗粒不沉积在烟气导流板3上。

烟气导流板3的底部设置有支撑横梁5，支撑横梁5用于支撑烟气导流板3和挡灰板4，支撑横梁5为圆钢管或方钢管，其两端直接焊接固定在环冷罩2外壁，并可作为通风梁。

烧结矿落入环冷机台车1后，从环冷机台车1的底部鼓入的冷空气对烧结矿进行冷却，产生温度500~50℃的烟气，其中350℃以上的烟气进入环冷机前端上部的环冷罩2，通过环冷罩2顶部的抽气口6进入烟道，可用于产生热水或蒸汽，以进行二次利用。

本发明烧结烟气余热回收装置，通过在环冷罩中布置烟气导流板和挡灰板，根据环冷罩内总冷却风量和环冷机漏风系数，，可以得出烟气流量，进而根据抽气口的开口位置确定烟气导流板的导流通道的宽度，能够最大限度地吸收环冷机烧结矿的热烟气，避免了部分热烟气的排放，提高了烟气余热的回收率。本发明通过技术改造，降低了环境污染、提高了热量二次利用率。

图10为某钢厂环冷机烟罩改造前的烟气质量流量分布图，余热电站平均发电功率只有1500kW；图11为采用本发明后的烟气质量流量分布图，平均发电功率达到2500kW。可以看出，采用本方法后，沿着环冷机台车的烟气质量流量已基本均匀，达到了均匀地抽吸热烟气的效果，余热电站发电功率显著提高。

Claims (4)

1.烧结烟气余热回收装置，其特征在于，该装置包括环冷机台车，其前端上部设置有用于收集烟气的环冷罩，该环冷罩的上部设置有与烟道连接的抽气口，其中，环冷罩内设置有烟气导流板，该烟气导流板的边沿与环冷罩的内侧焊接固定，烟气导流板的中部沿其长度方向设置有随x变化宽度的导流通道，设d_x为导流通道在x处的通道宽度，d_x的选取满足以下公式，以使烧结烟气全部通过导流通道，同时避免混入冷空气：

u_j(x,h,z)＝f(G₀(x)，d_x，D，h，H，L)    (1)

$G\left(x\right)=2\underset{0}{\overset{d_x/2}{\&Integral;}}\mathrm{\&rho;}(x,h,z)u_j(z,h,z)\mathrm{dz}---\left(2\right)$

G₀(x)＝ρ₀W₀×(1-η)/L    (3)

G(x)＝G₀(x)     (4)

其中，u_j(x,h,z)表示x处截面上y方向上的烟气速度分量，通过SIMPLE算法得到；d_x为x处的通道宽度，D为环冷罩宽度(环冷机台车宽度)，h为烟气导流板距离台车上沿的高度，H为环冷罩顶部距离台车上沿的高度，L为环冷罩长度；

G(x)表示环冷罩x处吸入的烟气质量流量，ρ(x,h,z)表示导流通道(x,h,z)处的烟气密度；

G₀(x)表示x处烧结矿释放的烟气质量流量，ρ₀为冷却空气初始密度，W₀为环冷罩内总冷却风量，η为环冷机漏风系数。

2.如权利要求1所述的烧结烟气余热回收装置，其特征在于，所述烟气导流板水平设置，其边沿与所述环冷罩的内侧焊接固定。

3.如权利要求1所述的烧结烟气余热回收装置，其特征在于，所述烟气导流板底部设置有支撑横梁，该支撑横梁圆钢管或方钢管，其直接焊接在所述环冷罩的侧壁上。

4.如权利要求2所述的烧结烟气余热回收装置，其特征在于，所述烟气导流板的上部设置有挡灰板，该挡灰板的上部与所述环冷罩的内壁焊接固定，挡灰板的下部与所述烟气导流板的上部焊接固定，挡灰板与烟气导流板之间的夹角为30度～60度。