張麗麗，張光學(xué)，楊啟岳，丁麗霞

(1.浙江省能源與核技術(shù)應(yīng)用研究院,浙江 杭州 310012；2.中國計量學(xué)院 能源工程研究所，浙江 杭州 310018)

鋼鐵廠燒結(jié)廢氣雙通道余熱鍋爐流場數(shù)值模擬

(1.浙江省能源與核技術(shù)應(yīng)用研究院,浙江 杭州 310012；2.中國計量學(xué)院 能源工程研究所，浙江 杭州 310018)

為了研究雙通道余熱鍋爐內(nèi)煙氣流場的分布情況，基于Fluent平臺，采用可實現(xiàn)的k-ε雙方程模型和多孔介質(zhì)模型，對某鋼鐵廠雙通道燒結(jié)余熱鍋爐內(nèi)流場(壓力場、溫度場、速度場)進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，余熱鍋爐煙氣阻力和爐膛出口排煙溫度的數(shù)值模擬結(jié)果與鍋爐實際運行結(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；鍋爐高溫與低溫?zé)煔馔ǖ澜Y(jié)合區(qū)域存在煙氣走廊，結(jié)構(gòu)不夠合理；另外，鍋爐進出口由于缺乏合適的導(dǎo)流裝置，流場不均勻程度較大。研究結(jié)果可為雙通道余熱鍋爐結(jié)構(gòu)改進提供理論指導(dǎo)。

余熱鍋爐；燒結(jié)；余熱利用；數(shù)值模擬；雙通道

0 引言

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[1]。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[2]。燒結(jié)余熱直接排放，不僅造成二次能源浪費，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)點火器助燃、預(yù)熱燒結(jié)混合料等方面都有一定的應(yīng)用[3]，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)能減排十分重視，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》提到“重點研究開發(fā)冶金、化工等流程工業(yè)和交通運輸業(yè)等主要高耗能領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)與裝備”[4]。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)電或作為動力直接拖動機械是最為有效的余熱利用方式[5]。

雙壓雙通道余熱鍋爐[6]，可以使不同溫度的煙氣從不同的通道進入鍋爐，產(chǎn)生兩種不同參數(shù)的蒸汽用于驅(qū)動配備的雙壓補汽凝汽式汽輪機。這種雙壓發(fā)電工藝充分利用了不同品位的熱源，實現(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)流場的實驗和理論研究，對其流場了解不夠深入。而余熱鍋爐內(nèi)煙氣流場分布對換熱效率、壓力損失和換熱器磨損等的影響很大[7]，因此，研究雙通道余熱鍋爐中煙氣的流場分布、尤其是兩通道合并處的煙氣流場分布非常有必要。

本文以某鋼鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)為原型，采用CFD數(shù)值模擬的方法，對余熱鍋爐進行建模、劃分網(wǎng)格。對換熱器采用多孔介質(zhì)及分布阻力模型進行模擬。通過以上研究，得到余熱鍋爐內(nèi)煙氣流場分布。同時，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，也為雙通道余熱鍋爐結(jié)構(gòu)改進提供理論指導(dǎo)。

1 燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)

某鋼鐵廠目前擁有2條燒結(jié)生產(chǎn)線，產(chǎn)生150～450℃的余熱煙氣。為了利用余熱煙氣，鋼鐵廠建成了燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用環(huán)冷機高溫段和中溫段排放的煙氣進行發(fā)電，煙氣量均為4×105m3/h，溫度分別為375℃和300℃。

燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)使用的是雙通道雙壓余熱鍋爐，其結(jié)構(gòu)見圖1所示。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)計參數(shù)見表1。

圖1 雙通道雙壓余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

表1雙通道雙壓余熱鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

參數(shù)數(shù)值煙氣流量/m3·h-14×105/4×105煙氣溫度/℃375/300高壓蒸發(fā)量/t·h-148高壓過熱蒸汽溫度/℃335高壓過熱蒸汽壓力/MPa2．05低壓過熱蒸汽壓力/MPa0．49低壓過熱蒸汽溫度/℃225排煙溫度/℃137

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的模擬選用的是可實現(xiàn)的k-ε雙方程模型，其方程組的通式[8]為

div(ρυφ)=div(Γφφ)+Sφ

(1)

式中ρ——氣流密度；

υ——速度矢量；

φ——通用因變量；

Γφ——輸運系數(shù)；

Sφ——源項。

相對于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，可實現(xiàn)k-ε模型包含了一個新的計算湍流動力粘度公式，而且模型中的湍流動能耗散率方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型不同。通過修正后的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，明顯地提高了對平面射流以及圓射流擴散率的模擬精度。

可實現(xiàn)的k-ε模型的湍流動能k和湍流動能耗散率ε的輸運方程為

k方程

(2)

ε方程

(3)

式中U、V、W——x、y、z方向上的速度分量；

Gb——由于浮力產(chǎn)生的湍流動能；

Sφ、Sε——用戶自定義源項；

C1ε、C2、σφ、σε、C3ε——常數(shù);

μ、μt——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產(chǎn)生的阻力，采用了多孔介質(zhì)模型[9]。多孔介質(zhì)的動量方程具有附加的動量源項，該源項由兩部分組成，一部分是粘性損失項，另一個是內(nèi)部損失項[10]

(4)

式中Si——i向(x,y,z)動量源項；

μ——流體動力粘度；

D、C——規(guī)定的矩陣。

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

在多孔介質(zhì)中，默認的情況下Fluent會解湍流量的標(biāo)準(zhǔn)守恒方程。因此，在這種默認的方法中，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，雖然作一定簡化，但避免了實際換熱器復(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)格劃分見圖2。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)化六面體對鍋爐進行網(wǎng)格劃分，以提高計算的精度和速度?？偩W(wǎng)格數(shù)目為86萬，已進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，采用2倍網(wǎng)格加密，計算結(jié)果基本無變化。進出口分別采用速度進口和壓力出口邊界條件。

圖2 雙通道余熱鍋爐網(wǎng)格劃分

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 壓力場分布

圖3和圖4是余熱鍋爐壓力分布計算結(jié)果。由圖可見，高溫?zé)煔馔ǖ篮偷蜏責(zé)煔馔ǖ肋M口段壓力分布不均勻性較大，表明其流動不夠均勻，尤其是低溫?zé)煔馔ǖ栏鼮閲?yán)重。這會對鍋爐內(nèi)的各受熱面的換熱產(chǎn)生不良影響。根據(jù)計算，余熱鍋爐的煙氣阻力總計約1 210 Pa，與鍋爐實際運行值1 300 Pa比較接近，說明數(shù)值模擬準(zhǔn)確度較高，理論模型可行。

圖3 余熱鍋爐內(nèi)壓力場分布

圖4 煙氣通道內(nèi)壓力分布

3.2 溫度場分布

圖5 余熱鍋爐內(nèi)溫度場分布

圖6 煙氣通道內(nèi)溫度場分布

圖5和圖6為余熱鍋爐內(nèi)的溫度場分布情況。數(shù)值計算結(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)計合理。然而高溫?zé)煔馔ǖ肋M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)計不夠合理。爐膛出口的排煙溫度為161℃，與鍋爐的實際運行值150℃比較符合。

3.3 速度場分布

了解余熱鍋爐內(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，降低運行成本。

圖7 余熱鍋爐內(nèi)速度場分布

圖8 低溫?zé)煔馔ǖ浪俣葓龇植?/p>

圖7和圖8為余熱鍋爐內(nèi)的速度場分布情況。計算結(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28 m/s。由此可見該余熱鍋爐進口區(qū)域結(jié)構(gòu)不夠合理，應(yīng)設(shè)計多個導(dǎo)流板以改善流動情況。同樣，在余熱鍋爐出口由于缺乏必要的導(dǎo)流裝置，也存在流動不均勻現(xiàn)象。

在兩個煙氣通道的交匯處，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?。然而，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”，直接進入至高壓蒸發(fā)器1受熱面。

圖9 余熱鍋爐內(nèi)煙氣流線分布

圖9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)域進口段存在明顯的煙氣回流，而高溫?zé)煔馔ǖ肋M口段的回流現(xiàn)象較輕一些，同時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。

4 結(jié)論

本文基于Fluent平臺，采用可實現(xiàn)的k-ε雙方程湍流模型和多孔介質(zhì)模型，對雙通道燒結(jié)余熱鍋爐進行流場模擬，得到以下結(jié)論：

(1)余熱鍋爐煙氣阻力和爐膛出口排煙溫度的數(shù)值模擬結(jié)果與鍋爐實際運行結(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；

(2)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)計合理。然而高溫?zé)煔馔ǖ肋M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)計不夠合理；

(3)鍋爐高溫?zé)煔馔ǖ纼?nèi)的流速比較均勻，僅在進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28 m/s。由此可見該余熱鍋爐進口區(qū)域結(jié)構(gòu)不夠合理，應(yīng)設(shè)計多個導(dǎo)流板以改善流動情況。

[1]張光學(xué),池作和,周朝暉,等.燒結(jié)余熱發(fā)電補燃裝置的設(shè)計及數(shù)值模擬[J].動力工程學(xué)報,2012,32(2):135-139.

[2]劉三軍,蘇震,張衛(wèi)亮,等.安鋼燒結(jié)環(huán)冷機余熱回收發(fā)電技術(shù)[J].冶金能源,2009,28(6):40-43.

[3]陳偉迎.燒結(jié)機余熱鍋爐簡介[J].余熱鍋爐,2009(2):11-14.

[4]中華人民共和國國務(wù)院.國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006━2020年)[EB/OL].http://www.gov.cn/irzg/2006-02/09/content 183787.htm,2006-02-09.

[5]陳通.燒結(jié)余熱節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用及效果[J].冶金動力, 2011,148(6):53-56.

[6]齊楠楠,魏巍,馬林貴.雙煙道雙壓余熱鍋爐在邯鋼的應(yīng)用[J].冶金動力,2012(1):47-48.

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[8]王福軍.計算流體力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:24-158.

[9]李宏俠.高純油窖煙氣脫硝的研究[D].沈陽:東北大學(xué),2010.

[10]安曉玲.SCR法煙氣脫硝技術(shù)的數(shù)值模擬[D].保定:華北電力大學(xué),2008.

NumericalSimulationofFlowFieldsforaDouble-passSinteringWasteHeatBoilerofSteelPlant

ZHANGLi-li1,ZHANGGuang-xue2,YANGQi-yue1,DINGLi-xia1

(1.ZhejiangProvincialEnergyandRadiationTechnologyResearchInstitute,Hangzhou310012,China;2.InstituteofEnergyEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

In order to study the flow fields distribution of double-pass waster heat boiler,numerical simulation of flow fields for a double-pass sintering waster heat boiler of steel plant was carried out based on Fluent, by using realizablek-εtwo equations model and porous medium model. The simulation results of flue gas resistance and the exhaust temperature of furnace exit accord with that of boiler operation, which show the numerical simulation accuracy is high and the theoretical model is feasible. Smoke corridor exits in the region that high temperature and low temperature flue gas mix together, which shows that the boiler structure is not reasonable. In addition, the fluid flow misdistribution is very serious due to lack of proper guiding device in boiler inlet and outlet. The research results can provide theoretical guidance for the structure improvement of double-pass waste heat boiler.

waste heat boiler;sintering;waste heat utilization；numerical simulation;double-pass

2014-05-23修訂稿日期2014-07-24

浙江省科技計劃項目(2014F60002)；浙江省創(chuàng)新團隊項目(2013F20003)

張麗麗(1983～)，女，碩士，助理研究員，主要從事能源系統(tǒng)研究。

TK229.92+9;TM617

A

1002-6339 (2014) 06-0512-04