本文采用局部非熱平衡雙能量方程模型[3,4],即分別對燒結(jié)礦和冷卻空氣建立能量方程。以上兩式中,hv為燒結(jié)礦與冷卻空氣之間的傳熱系數(shù)。其余參數(shù)的選取通過測試及在測試基礎(chǔ)上的計算得到,分別是:ρs=1600kg/m3,?=0•4,hv=0•199w/(m3•K),cs=920J/(kg•℃)。根據(jù)燒結(jié)礦的冷卻過程,研究對象的邊界條件為:環(huán)冷機臺車冷卻空氣入口邊界、環(huán)冷機臺車壁面、環(huán)冷機臺車頂部出口。對于環(huán)冷機臺車冷卻空氣入口邊界,由于單位時間進入環(huán)冷機臺車的冷卻空氣的速度是固定的,所以采用速度入口邊界條件,數(shù)值以測試值為準。環(huán)冷機臺車壁面采用定熱流壁面。對于環(huán)冷機臺車頂部出口,采用壓力出口邊界條件。現(xiàn)場測試方法:結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)條件,利用熱電偶測量環(huán)冷機余熱利用區(qū)出口煙氣溫度,通過對測量位置選取不同的測點,并對不同的測點進行多次測量,取其平均值。

各因素對余熱利用的影響

在前述建立的物理數(shù)學模型的基礎(chǔ)上,利用流體動力學計算軟件FLUENT對燒結(jié)礦冷卻過程進行數(shù)值模擬計算,在保持其他參數(shù)不變的條件下,考察單一因素對環(huán)冷機余熱利用的影響。以下分別對影響環(huán)冷機余熱回收利用量的五個主要因素進行仿真計算:余熱利用區(qū)內(nèi)環(huán)冷機臺車入口風速、燒結(jié)礦料層高度、燒結(jié)礦粒徑、孔隙率、入口冷卻空氣溫度。

1)環(huán)冷機臺車入口風速對余熱利用的影響：不同環(huán)冷機臺車入口風速條件下,環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨時間變化曲線如圖2所示（略）。由圖2可知,隨入口風速的增加,出口煙氣平均溫度逐漸降低。說明入口風速越大,單位時間內(nèi)氣體帶走的熱量越多,有效余熱利用量增加。

2)燒結(jié)礦料層高度：不同燒結(jié)礦料層高度下,環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨時間的變化曲線如圖3所示（略）。由圖3可知,環(huán)冷機出口煙氣的平均溫度隨著燒結(jié)礦層高度的增加而升高。由此可知,環(huán)冷機出口煙氣的平均溫度和有效余熱利用量隨著燒結(jié)礦層高度的增加而增大。因此,在考慮鼓風機動力消耗允許的情況下,應(yīng)增加料層高度,以提高余熱回收率。

3)燒結(jié)礦粒徑在燒結(jié)礦粒徑：不同的條件下,環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨時間的變化曲線如圖4（略）。由圖4可知,燒結(jié)礦粒徑的增大將會導致環(huán)冷機臺車出口煙氣的平均溫度降低。由此可知,環(huán)冷機出口煙氣平均溫度和有效余熱利用量隨著燒結(jié)礦粒徑的增大而減小。

4)孔隙率不同孔隙率：的情況下,環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨時間變化曲線如圖5（略）。由圖5可知,在冷卻過程初期階段(200s之前),隨著孔隙率的增加,出口煙氣的平均溫度增高;在200s之后,則趨勢相反。

5)入口冷卻空氣溫度：在入口冷卻空氣溫度不同的條件下,環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨時間的變化曲線如圖6。由圖6可知,入口冷卻空氣溫度升高,使得出口煙氣的平均溫度升高。說明隨著入口冷卻空氣溫度的增加,出口煙氣平均溫度和有效余熱利用量也隨之增加。

數(shù)值仿真結(jié)果的驗證

在常規(guī)工況下,利用origin軟件對數(shù)值模擬計算所得到的結(jié)果進行曲線擬合,圖7為環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨燒結(jié)礦冷卻時間的變化曲線。如圖所示,擬合曲線與實測曲線能夠理想重合。由此說明,在工程實際中,可以采用擬合曲線的數(shù)學公式對不同冷卻時間的出口煙氣溫度進行預(yù)測。

正交優(yōu)化仿真實驗

利用正交實驗的方法,對影響環(huán)冷機上燒結(jié)礦余熱利用的七個主要運行參數(shù)進行優(yōu)化分析。七個運行參數(shù)分別是:環(huán)冷機臺車上下層物料高度、上中下層的燒結(jié)礦粒徑、環(huán)冷機臺車入口風速、冷卻空氣入口平均溫度。七個因素之間相互獨立,本實驗采用標準正交表L18(37)。優(yōu)化指標為燒結(jié)礦每小時的余熱利用量;根據(jù)燒結(jié)礦進入環(huán)冷機的實際溫度,將燒結(jié)礦的初始溫度設(shè)定為1023•15K(750℃)。表1列出了正交實驗各工況仿真計算結(jié)果。通過正交實驗結(jié)果可得到,七個不同運行參數(shù)按其對燒結(jié)礦余熱利用的影響,從強到弱的排序依次為:環(huán)冷機臺車入口風速、環(huán)冷機臺車上層燒結(jié)礦粒徑、環(huán)冷機臺車中層燒結(jié)礦粒徑、環(huán)冷機臺車下層燒結(jié)礦粒徑、冷卻空氣入口平均溫度、環(huán)冷機臺車下層物料高度、環(huán)冷機臺車上層物料高度。本實驗結(jié)果表明,實驗中的七個不同參數(shù)的最優(yōu)組合為:環(huán)冷機臺車下層物料高度為0•4m,環(huán)冷機臺車下層物料粒徑大小0•035m;環(huán)冷機臺車中層物料高度為0•5m,環(huán)冷機臺車中層物料粒徑大小0•025m;環(huán)冷機臺車上層物料高度為0•5m,環(huán)冷機臺車上層物料粒徑大小0•03m;環(huán)冷機臺車入口風速為7•65m/s;冷卻空氣入口平均溫度為404K。在此最優(yōu)參數(shù)組合的工況下,模擬仿真計算得到燒結(jié)礦余熱利用量為176783265kJ/h,與正常工況條件下余熱回收量相比,提高了25•6%,環(huán)冷機出口煙氣平均溫度為660•86K,比正常工況條件下環(huán)冷機出口煙氣平均溫度提高了49•85K。

結(jié)論

1)利用FLUENT軟件作為計算平臺,采用局部非熱力學平衡的雙能量方程模型,建立了燒結(jié)礦冷卻仿真模型。2)利用數(shù)學物理模型進行模擬仿真,在保持其它因素不變的情況下,研究單一因素對環(huán)冷機出口煙氣溫度和環(huán)冷機余熱利用量的影響。3)采用origin軟件將利用FLUENT軟件得到的數(shù)值仿真計算結(jié)果和在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分別進行曲線擬合,得到了環(huán)冷機出口煙氣平均溫度隨冷卻時間變化的曲線。經(jīng)過對比,兩條曲線重合理想,所以在工程實際中可以采用擬合曲線的數(shù)學公式對不同冷卻時間的環(huán)冷機出口煙氣溫度進行預(yù)測。4)利用正交試驗方法,對影響燒結(jié)礦冷卻過程的七個運行參數(shù)進行正交試驗分析,找出了燒結(jié)礦余熱利用率最大的參數(shù)組合,從而達到提高燒結(jié)礦余熱利用率的目標。

本文作者：王建平 田萬一 單位：長沙 中冶長天國際工程有限責任公司