羅云飛，龍紅明，趙利明，周江虹，余正偉，王毅璠?

1) 安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，馬鞍山 243002

2) 安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程與資源綜合利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，馬鞍山 243002

3) 寶鋼湛江鋼鐵有限公司煉鐵廠，湛江 524000

4) 馬鞍山鋼鐵股份有限公司，馬鞍山 243031

作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵工業(yè)能源消耗量約占全國(guó)能耗的15%～20%，同時(shí)，也是余熱資源最多行業(yè)之一[1-5].鐵礦燒結(jié)工序是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中重要的組成部分，為高爐提供優(yōu)質(zhì)煉鐵原料的同時(shí)也具有高能耗、高污染、余熱利用率低等特點(diǎn)[6-10]，其污染物包括顆粒物、SO2、COX、NOX、HCl、HF、VOCs 和二噁英（PCDD/Fs）等[11-14].隨著國(guó)家環(huán)保政策的日益收緊，為滿足可持續(xù)發(fā)展的需求，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上衍生了許多新的技術(shù)，如基于鎂法的多污染物協(xié)同去除技術(shù)、煙氣多污染物集并吸附脫除技術(shù)、多污染物中低溫協(xié)同催化凈化技術(shù)等[1]，其中煙氣循環(huán)技術(shù)以其高余熱回收率、低污染物排放等的顯著優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注與認(rèn)可.

煙氣循環(huán)燒結(jié)是基于部分熱廢氣被再次引入燒結(jié)過程的原理而開發(fā)的一種新型燒結(jié)模式[15-16].1978 年由美國(guó)Wilton Steel 提出，經(jīng)過近四十年的發(fā)展，代表性的有日本Nippon Railway 的區(qū)域性廢棄循環(huán)工藝、荷蘭Emeiden Steel 的EOS（Emission optimized sintering）工藝、德國(guó)HKM 的LEEP（Low emission and energy optimized sinter process）工藝、德國(guó)Siemens VAI 的EPOSINT（Environment process optimized sintering）工藝等.2013 年，寶鋼為解決環(huán)冷機(jī)熱廢氣無組織排放問題，同時(shí)兼顧低溫余熱回收利用、超低排放等行業(yè)前瞻性要求，在EPOSINT 工藝基礎(chǔ)上開發(fā)了具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的BSFGR（Bao steel flue gas recirculation）工藝[17]，同時(shí)在寧鋼燒結(jié)機(jī)應(yīng)用，對(duì)提高燒結(jié)余熱利用率、降低污染物排放和燒結(jié)能耗具有顯著效果[18-20].

國(guó)內(nèi)外開展了多項(xiàng)煙氣循環(huán)過程數(shù)學(xué)模型的相關(guān)研究，Ahn 等[21-22]利用流程模擬器建立了熱廢氣循環(huán)燒結(jié)過程的二維數(shù)學(xué)模型，考察了廢氣成分和返回料面位置等因素對(duì)燒結(jié)過程廢氣排放規(guī)律的影響.張小輝等[23]通過數(shù)值模擬的方法，從節(jié)能減排效果和對(duì)燒結(jié)過程的影響對(duì)比探討了煙氣循環(huán)對(duì)常規(guī)燒結(jié)的改善效果.中南大學(xué)Fan等[24-25]研究了煙氣循環(huán)工藝不同煙氣成分對(duì)燒結(jié)過程的影響，并指出當(dāng)循環(huán)煙氣氧體積分?jǐn)?shù)低于18%時(shí)，會(huì)引起燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的急劇下降.楊正偉等[26]以寶鋼600 m2大型燒結(jié)機(jī)為研究對(duì)象，借助FLUENT 模擬軟件，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的煙氣混合器、分配器及循環(huán)罩三大核心部件進(jìn)行建模、流場(chǎng)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.許源等[27]以沙鋼4 號(hào)燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)煙氣循環(huán)系統(tǒng)的煙氣分配器及循環(huán)煙罩進(jìn)行數(shù)值模擬，通過安裝煙氣分配器，強(qiáng)化了煙氣與燒結(jié)原料間的換熱.作為節(jié)能減排的新型燒結(jié)模式，煙氣循環(huán)對(duì)強(qiáng)化燒結(jié)過程、促進(jìn)煙氣污染物減排具有較為顯著的效果，同時(shí)，循環(huán)煙氣在煙氣罩內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)其節(jié)能減排效果發(fā)揮關(guān)鍵作用，循環(huán)煙氣在煙氣罩內(nèi)無規(guī)則分布時(shí)，其進(jìn)入燒結(jié)料層煙氣量有限，發(fā)揮節(jié)能減排效果并不顯著，同時(shí)對(duì)局部燒結(jié)料層有沖散等不利影響，可能加劇燒結(jié)料層邊緣效應(yīng).但目前針對(duì)循環(huán)煙氣如何均勻分布于煙氣罩及其在煙氣罩內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)研究鮮有報(bào)道.

本文利用數(shù)學(xué)建模對(duì)某鋼廠燒結(jié)機(jī)煙氣罩內(nèi)循環(huán)煙氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，通過優(yōu)化煙氣罩內(nèi)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和數(shù)量，使原有煙氣罩漏風(fēng)狀況大大改善，同時(shí)改善了煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)狀態(tài)，使煙氣在料面上分配更均勻，有利于燒結(jié)生產(chǎn)的順行.

1 模型的構(gòu)建與優(yōu)化方案

利用數(shù)學(xué)建模對(duì)熱煙氣循環(huán)燒結(jié)煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)進(jìn)行模擬，通過求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程求解煙氣在煙氣罩和床層內(nèi)的流動(dòng)，床層中煙氣流動(dòng)使用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行處理.

1.1 理論基礎(chǔ)

數(shù)學(xué)模型描述熱煙氣循環(huán)燒結(jié)煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)連續(xù)性方程如下所示：

描述床層中煙氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量方程：

熱煙氣循環(huán)燒結(jié)的煙氣罩內(nèi)流體流動(dòng)為湍流，模型中湍流黏度通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其表達(dá)式如下：

Gk為由于平均速度梯度湍流產(chǎn)生項(xiàng)，可以表示為:

湍流黏度可以通過下式計(jì)算：

式中：ρ為密度，kg·m-3；t為時(shí)間，s；為速度，m·s-1；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；g為加速度，m·s-2；k為湍動(dòng)能，m2·s-2；ε為湍流耗散率，m2·s-3；μt為湍流黏度，Pa.s，σk和σε為k和ε的施密特?cái)?shù)；xi和xj代表i和j方向的位移；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值通過實(shí)驗(yàn)確定；Gb為用于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，J；代表i和j方向的速度分量.

1.2 邊界條件及優(yōu)化方案

熱煙氣循環(huán)燒結(jié)的煙氣罩模型如圖1 所示.網(wǎng)格劃分依據(jù)該鋼廠煙氣罩實(shí)際尺寸，并采用cutcell 方法，主體部分采用六面體進(jìn)行劃分，并對(duì)漏風(fēng)處網(wǎng)格進(jìn)行加密，單個(gè)網(wǎng)格數(shù)約為100 萬，如圖2 所示.由于煙氣罩進(jìn)氣口不在其幾何中心，又有人孔（人孔是指為補(bǔ)充氣量同時(shí)削弱煙氣入口漩渦強(qiáng)度而人工開的孔，位于煙氣罩進(jìn)氣側(cè)中間位置，見圖1）的影響，因此，多個(gè)煙氣罩銜接面并不是對(duì)稱邊界，不能使用傳統(tǒng)的對(duì)稱邊界條件，所以數(shù)學(xué)模擬邊界使用循環(huán)周期邊界條件.其他模型參數(shù)如表1 所示，煙氣入口和人孔使用壓力入口邊界，根據(jù)實(shí)際條件使用不同壓力值.床層計(jì)算采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行處理.現(xiàn)場(chǎng)煙氣罩與床層銜接處存在漏風(fēng)狀況，模型中簡(jiǎn)化漏風(fēng)縫隙形狀，漏風(fēng)處壓力為0 Pa.考慮到單個(gè)煙氣罩進(jìn)氣方管截面積與所覆蓋的燒結(jié)面積的比例，在熱煙氣進(jìn)出氣體量大致平衡的情況下，若料面風(fēng)速為1 m·s-1，則方管進(jìn)氣速度需達(dá)到10～20 m·s-1；熱煙氣溫度參照實(shí)際生產(chǎn)選180 ℃；煙氣罩外環(huán)境溫度為25 ℃.

圖1 煙氣罩三維模型Fig.1 3D model of the fume hood

圖2 熱風(fēng)罩流場(chǎng)及溫度場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division for flow field and temperature field calculation of hot air hood

表1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算邊界條件Table 1 Mathematical model to calculate boundary conditions

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)反饋，原煙氣罩（圖3(a)）在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，原因是由于原方案煙氣罩內(nèi)，煙氣從進(jìn)氣口進(jìn)入并不是被負(fù)壓從料面直接吸入，而是在煙氣罩形狀的作用下在內(nèi)部做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得料面上部風(fēng)速和方向不一，漏風(fēng)處部分壓力為正壓，部分煙氣從煙氣罩漏風(fēng)處溢出.為了改善煙氣進(jìn)入煙氣罩內(nèi)的流動(dòng)狀況，對(duì)煙氣罩內(nèi)煙氣的優(yōu)化思路是在煙氣罩內(nèi)安裝導(dǎo)流板對(duì)煙氣流動(dòng)進(jìn)行控制，削弱煙氣罩內(nèi)煙氣旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，降低或消除煙氣到達(dá)漏風(fēng)處的動(dòng)壓，使漏風(fēng)處的風(fēng)壓為零或負(fù)值，達(dá)到阻止煙氣外漏的目的，優(yōu)化方案如圖3(b)和3(c)所示.

圖3 煙氣罩不同方案狀況示意圖.(a) 原方案;(b) 優(yōu)化方案1;(c) 優(yōu)化方案2Fig.3 Schematic diagram of different schemes of the flue gas hood: (a) original scheme;(b) optimized scheme 1;(c) optimized scheme 2

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 原方案煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)狀態(tài)

首先根據(jù)原有方案進(jìn)行建模，分析煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)特點(diǎn).根據(jù)入口邊界條件，本文中模擬煙氣循環(huán)對(duì)應(yīng)的料面風(fēng)速為5 m·s-1，模擬循環(huán)煙氣溫度為180 ℃，模擬循環(huán)煙氣氧體積分?jǐn)?shù)為18%.圖4 為原方案煙氣罩內(nèi)在人孔關(guān)閉和打開時(shí)煙氣在煙氣罩內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況.從圖中可以看出，煙氣在從入口進(jìn)入煙氣罩內(nèi)時(shí)，直接流向A 側(cè)煙氣罩壁面，然后左右分作兩股流動(dòng)在水平視角上形成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)流動(dòng).結(jié)合圖4(c)原方案煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)側(cè)視流線圖可以看出，煙氣在進(jìn)入煙氣罩后以旋轉(zhuǎn)下降方式到達(dá)料面.通過對(duì)比圖4(a)和4(b)中流線圖可以看出，人孔開閉對(duì)煙罩內(nèi)煙氣的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生明顯影響，人孔打開時(shí)改變了煙氣的流動(dòng)狀態(tài)，削弱了進(jìn)入煙氣形成漩渦的強(qiáng)度，但是并未較大改善煙氣旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，一方面使得料面上煙氣流速不均，另一方面也使煙氣不能最快到達(dá)料面，對(duì)料面吸風(fēng)產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而影響生產(chǎn).

圖4 原方案煙氣罩內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)流線.(a) 人孔閉;(b) 人孔開;(c) 側(cè)視流線圖Fig.4 Streamline of the smoke movement in the flue gas hood of the original scheme: (a) closed manhole;(b) opened manhole;(c) side view streamline diagram

2.2 優(yōu)化方案煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)狀態(tài)

通過以上分析可以看出，原方案煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)對(duì)于料面吸風(fēng)不利，因此，對(duì)煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)的優(yōu)化重點(diǎn)在于降低煙氣罩內(nèi)煙氣旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，使料面煙氣分配更加均勻.圖5 為優(yōu)化方案1 煙氣罩內(nèi)流線圖，從圖中可以看出，煙氣罩內(nèi)放置導(dǎo)流板，一定程度上改善煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)狀態(tài).優(yōu)化方案2 在煙氣罩內(nèi)加裝一塊導(dǎo)流板，流線圖如圖6 所示.可以看出，煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)發(fā)生了明顯變化，導(dǎo)流板在煙氣罩內(nèi)阻礙了一部分旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的形成，使煙氣更均勻地分布在煙氣罩內(nèi).

圖5 優(yōu)化方案1 煙氣罩內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)流線.(a) 人孔閉;(b) 人孔開Fig.5 Movement streamline of the flue gas in the flue gas hood for the optimized scheme 1: (a) closed manhole;(b) opened manhole

圖6 優(yōu)化方案2 煙氣罩內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)流線.(a) 人孔閉;(b) 人孔開Fig.6 Movement streamline of the flue gas in the flue gas hood for the optimized scheme 2: (a) closed manhole closed;(b) opened manhole

2.3 優(yōu)化方案煙氣罩內(nèi)漏吸風(fēng)狀況

對(duì)煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)優(yōu)化的目的是改善煙氣流動(dòng)狀態(tài)，使其較早地通過料面被吸入，另一方面是改善漏風(fēng).圖7 為煙氣罩原方案和優(yōu)化方案漏風(fēng)口速度場(chǎng).漏風(fēng)口與水平平行，因此，速度場(chǎng)中，向下表示煙氣從煙氣罩內(nèi)由內(nèi)而外漏出，為漏風(fēng)；速度場(chǎng)向上表示煙氣罩內(nèi)靠近漏風(fēng)口處壓力低于外部大氣壓，從外部吸入空氣，為吸風(fēng).從圖7(a)可以看出，原方案A 側(cè)整個(gè)漏風(fēng)口煙氣流向朝向外部，表示整個(gè)漏風(fēng)口有漏風(fēng)現(xiàn)象.而靠近煙氣入口處的B 側(cè)漏風(fēng)口全為吸風(fēng).結(jié)合圖4 可以看出，原方案煙氣從入口進(jìn)入后，直接流向A 側(cè)壁面，由于到達(dá)A 側(cè)壁面時(shí)仍具備一定動(dòng)能，因此，A 側(cè)漏風(fēng)口處煙氣有一定的動(dòng)壓，較為容易地從漏風(fēng)口吹出.而B 側(cè)處煙氣為A 側(cè)處反射流，煙氣動(dòng)能下降，此處較多地形成負(fù)壓，從外部吸風(fēng).從這里也可以看出，燒結(jié)床層料面上煙氣的分配是不均勻的.在煙氣罩內(nèi)放置導(dǎo)流板后，從圖7(b)可以看出，A 側(cè)處煙氣漏風(fēng)得到改善，此處漏風(fēng)口變?yōu)槲L(fēng)狀況，而B 側(cè)由于導(dǎo)流板的作用，一部分煙氣流向B 側(cè)時(shí)仍具備較大的動(dòng)能，煙氣有少許外漏.為了降低回流煙氣流動(dòng)強(qiáng)度，在煙氣罩內(nèi)上部加裝另一塊導(dǎo)流板，如圖7(c)所示.由于上部導(dǎo)流板對(duì)入口進(jìn)入煙氣進(jìn)行部分導(dǎo)流，使煙氣在流經(jīng)導(dǎo)流板后不再在同一方向具備較大動(dòng)能和同一流向，煙氣分散地流向煙氣罩內(nèi)料面各處.使得A 和B兩側(cè)漏風(fēng)處同時(shí)為吸風(fēng)，有效地改善了漏風(fēng)狀況.

圖7 不同方案條件下漏風(fēng)口速度場(chǎng)分布.(a) 原方案;(b) 優(yōu)化1;(c) 優(yōu)化2Fig.7 Velocity field distribution of air leakage vents under different scheme conditions: (a) original scheme;(b) optimization 1;(c) optimization 2

從以上分析可以看出，煙氣罩內(nèi)漏風(fēng)處主要為A 側(cè)，B 側(cè)大部分狀況為吸風(fēng)，或者漏風(fēng)量較少.圖8 和圖9 分別對(duì)煙氣罩原方案和優(yōu)化方案1 和2 的A 側(cè)漏風(fēng)口處煙氣速度分布進(jìn)行分析.

圖8 優(yōu)化方案1 與原方案A 側(cè)漏風(fēng)處煙氣速度對(duì)比Fig.8 Optimization plan 1 and original plan comparison of smoke velocities at the air leakage on side A

圖9 優(yōu)化方案2 與原方案A 側(cè)漏風(fēng)處煙氣速度對(duì)比Fig.9 Optimization plan 2 and original plan comparison of smoke velocities at the air leakage on side A

從圖8 中可以看出，原方案在人孔關(guān)閉和打開時(shí)，A 側(cè)漏風(fēng)口上速度都為負(fù)值，表示整個(gè)漏風(fēng)口出現(xiàn)漏風(fēng)狀況.同時(shí)，漏風(fēng)口處速度產(chǎn)生波動(dòng)，漏風(fēng)口附近煙氣動(dòng)壓不同，進(jìn)一步說明煙罩內(nèi)靠近料面煙氣速度分布不均.從圖8 可以看出，人孔關(guān)閉時(shí)，優(yōu)化方案1 A 側(cè)漏風(fēng)口速度都為正值，說明整個(gè)漏風(fēng)口都為吸風(fēng)狀況.而人孔打開時(shí)，由于人孔進(jìn)入的空氣改變了煙氣罩內(nèi)煙氣流動(dòng)，使A 側(cè)漏風(fēng)口部分區(qū)段出現(xiàn)漏風(fēng)狀況（負(fù)值區(qū)段）.

優(yōu)化方案1 A 側(cè)漏風(fēng)口在人孔關(guān)閉時(shí)雖然都為吸風(fēng)，但在煙氣罩長(zhǎng)度方向吸風(fēng)量產(chǎn)生波動(dòng)，表示煙氣在漏風(fēng)口附近煙氣罩內(nèi)氣流速度仍然變化較大.在進(jìn)一步用導(dǎo)流板對(duì)煙氣控制后，如圖9 所示.人孔關(guān)閉時(shí)，A 側(cè)漏風(fēng)口吸風(fēng)量在長(zhǎng)度方向比較均勻，為2.5 m·s-1左右.說明煙氣在漏風(fēng)口附近煙氣罩內(nèi)氣流速度比較均勻.而打開人孔后，與優(yōu)化方案1 類似，漏風(fēng)口在部分區(qū)段出現(xiàn)漏風(fēng)，表明，人孔打開一定程度上可以補(bǔ)充氣量，但也影響了煙氣罩內(nèi)的煙氣流動(dòng)，使漏風(fēng)口出現(xiàn)漏風(fēng)，惡化了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境.

對(duì)原方案和優(yōu)化方案在人孔開閉時(shí)A 側(cè)漏風(fēng)/吸風(fēng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，負(fù)值為漏風(fēng)，正值為吸風(fēng)，如圖10所示.從圖中可以看出，原方案人孔關(guān)閉和打開時(shí)，A 側(cè)漏風(fēng)量為1.2 和1.7 m3·s-1，人孔打開時(shí)雖然有利于進(jìn)氣，但是也使漏風(fēng)口漏風(fēng)量增加.優(yōu)化方案1 在導(dǎo)流板的作用下，A 側(cè)變?yōu)槲L(fēng)，人孔關(guān)閉，吸風(fēng)量為2.4 m3·s-1，而當(dāng)人孔打開時(shí)，由于空氣的補(bǔ)充，A 側(cè)漏風(fēng)口吸風(fēng)量降低.相對(duì)于優(yōu)化方案1，方案2 在人孔打開和關(guān)閉時(shí)吸風(fēng)量變化不大，分別為2.4 和1.5 m3·s-1.

圖10 煙氣罩原方案和優(yōu)化方案A 側(cè)漏風(fēng)處漏風(fēng)（負(fù)值）和吸風(fēng)（正值）狀況Fig.10 Air leakage (negative values) and suction (positive values) of the original and optimized schemes of the flue gas hood at the air leakage on side A

3 結(jié)論

（1）對(duì)循環(huán)煙氣熱風(fēng)罩內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，通過優(yōu)化煙氣罩內(nèi)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和數(shù)量，削弱了煙氣罩內(nèi)煙氣旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，明顯改善了其流動(dòng)狀態(tài)，使煙氣分布更均勻，并順利進(jìn)入料層；

（2）模擬結(jié)果表明現(xiàn)有煙氣罩人孔打開時(shí)雖然在氣量上有一定的補(bǔ)充效果，削弱了煙氣入口進(jìn)入煙氣形成漩渦的強(qiáng)度，但是并未較大改善煙氣旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，導(dǎo)致料面上煙氣流速不均，不利于其防止漏風(fēng)條件；

（3）結(jié)果表明煙氣罩漏風(fēng)在進(jìn)氣口煙氣流向側(cè)較為嚴(yán)重，通過優(yōu)化煙氣罩內(nèi)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和數(shù)量，使A 側(cè)漏風(fēng)口由漏風(fēng)1.2 m3·s-1變?yōu)槲L(fēng)2.4 m3·s-1，煙氣罩漏風(fēng)狀況明顯改善，有利于燒結(jié)生產(chǎn)的順行.