钢铁厂烧结废气双通道余热锅炉流场数值模拟

钢铁厂烧结废气双通道余热锅炉流场数值模拟

在钢铁工业的各工序中，烧结工序能耗占总能耗的10%~20%，是仅次于高炉的第二大能耗工序00.在烧结工序总能耗中，有50%左右的热能以烧结余热烟气的显热形式排入大气0.烧结余热直接排放，不仅造成二次能源浪费，而且严重污染环境，给人民生活健康带来较大危害。因此，合理回收利用烧结余热烟气对钢铁工业节能减排工作有非常重要的意义。

　　钢铁厂烧结废弃余热，虽然在提供生活热水、烧结点火器助燃、预热烧结混合料等方面都有定的应用H，但大部分仅停留于产生低容量低品位蒸汽或热水利用，从能源的高效利用来说，效率不高。近年来，我国对高能耗行业节能减排十分重枧国家中长期科学和技术发展规划纲要提到“重点研究开发冶金、化工等流程工业和交通运输业等主要高耗能领域的节能技术与装备H.利用烧结冷却系统中的中低温废气通过余热锅炉产生高流量和高参数蒸汽发电或作为动力直接拖动机械是最为有效的余热利用方式5.双压双通道余热锅炉63，可以使不同温度的烟气从不同的通道进入锅炉，产生两种不同参数的蒸汽用于驱动配备的双压补汽凝汽式汽轮机。这种双压发电工艺充分利用了不同品位的热源，实现了能量的梯级利用和分级回收，得到较高的余热利用效率。

　　双通道双压余热锅炉由于形式新颖、结构复杂，目前国内外尚无炉内流场的。低温烟气通道和高温烟气通道在入口处设有分隔板，防止两种不同初温的烟气直接混合，造成能源品味的降低。高温过热器和高压蒸发器布置在高温烟气的进口，以获得更高参数的蒸汽。烧结余热发电系统的主要设计参数见表1.表1双通道双压余热锅炉主要设计参数参数数值烟气流量/m31h-1烟气温度/C高压蒸发量/fh-1高压过热蒸汽温度/C高压过热蒸汽压力/MPa低压过热蒸汽压力/MPa低压过热蒸汽温度/C排烟温度/C 2数值模型与建模2.1湍流模型本模拟中气相湍流流动的模拟选用的是可实现的k -s双方程模型，其方程组的通式68为p通用因变量；r输运系数；相对于标准k-S模型，可实现k-S模型包含了一个新的计算湍流动力粘度公式，而且模型中的湍流动能耗散率方程和标准k-模型不同。通过修正后的标准k-S模型，明显地提高了对平面射流以及圆射流扩散率的模拟精度。

　　可实现的k-模型的湍流动能k和湍流动能耗散率的输运方程为k方程e方程一」

　　Gb由于浮力产生的湍流动能；S9、用户自定义源项；计算结果基本无变化。进出口分别采用速度进口和压力出口边界条件。

　　双通道余热锅炉网格划分3数值模拟结果及分析bookmark4为平均旋转率张量）；卜、流体粘度和湍流粘度。

　　2.2多孔介质模型为了模拟烟气穿过换热器时产生的阻力，采用了多孔介质模型63.多孔介质的动量方程具有附加的动量源项，该源项由两部分组成，一部分是粘性损失项，另一个是内部损失项M 3.1压力场分布和是余热锅炉压力分布计算结果。由图可见，高温烟气通道和低温烟气通道进口段压力分布不均匀性较大，表明其流动不够均匀，尤其是低温烟气通道更为严重。这会对锅炉内的各受热面的换热产生不良影响。根据计算，余热锅炉的烟气阻力总计约1210Pa，与锅炉实际运行值1300Pa比较接近，说明数值模拟准确度较高，理论模型可行。

　　流体动力粘度；D、C规定的矩阵。

　　在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。

　　在多孔介质中，默认的情况下Fluent会解湍流量的标准守恒方程。因此，在这种默认的方法中，介质中的湍流被这样处理：固体介质对湍流的生成和耗散速度没有影响。如果介质的渗透性足够大，而且介质的几何尺度和湍流涡的尺度没有相互作用，这样的假设是合情合理的。

　　采用多孔介质模拟余热锅炉中的换热器，虽然作定简化，但避免了实际换热器复杂的几何建模和网格划分。

　　2.3几何模型及网格划分双通道余热锅炉的网格划分见。采用多孔介质换热模型模拟余热锅炉中的换热器，以简化锅炉结构。采用规则的结构化六面体对锅炉进行网格划分，以提高计算的精度和速度。总网格数目为86万，已进行了网格无关性验证，采用2倍网格加密，和为余热锅炉内的温度场分布情况。

　　数值计算结果表明，两股高温烟气经过各级换热器后，温度逐步降低。而且在高温、低温烟气汇合后，各级换热器内的烟气温度比较均匀，这表明该余热锅炉各级换热器设计合理。然而高温烟气通道进口段区域的烟温偏差较大，尤其是隔板附近出现局部高温区，说明该区域存在较明显‘’烟气走廊“，此处结构设计不够合理。炉膜出口的排烟温度为161C，与锅炉的实际运行值150C比较符合。

　　烟气通道内压力分布余热锅炉内速度场分布余热锅炉内温度场分布⑷低温烟气通道（b）高温烟气通道⑷低温烟气通道㈨高温烟气通道了解余热锅炉内的烟气流速分布非常重要，良好均匀的流场分布不仅有利于提高换热效果，也有助于降低余热锅炉整体阻力，降低运行成本。

　　和为余热锅炉内的速度场分布情况。

　　计算结果表明，锅炉高温烟气通道内的流速比较均匀，仅在进口段存在局部回流区。而低温烟气通道内的流速分布不均匀程度较大，存在高速气流直接冲刷后排炉墙情况，最高速度可达28m/s.由此可见该余热锅炉进口区域结构不够合理，应设计多个导流板以改善流动情况。同样，在余热锅炉出口由低温烟气通道速度场分布于缺乏必要的导流装置，也存在流动不均匀现象。

　　在两个烟气通道的交汇处，两股烟气在隔板底部“串气”现象不明显，仅有少量低温烟气横向流往高温烟气通道。然而，在高温烟气通道内，由于换热器与隔板之间距离过大，使部分烟气“短路”直接进入至高压蒸发器1受热面。

　　⑷低温烟气通道（b）高温烟气通道余热锅炉内烟气流线分布为余热锅炉内烟气流线分布情况，由图可见，低温烟气通道的区域进口段存在明显的烟气回流，而高温烟气通道进口段的回流现象较轻一些，同时余热锅炉出口的流场不佳，而在换热器内部区域的流场分布情况要好得多。

　　（下转第556页）张翔，周维权，蒋蜀峰。天然气净化厂脱硫单元低负荷运行的节能措施。石油石化节能，2012（8）：41-42.张剑波，宋丽丽，唐丹。靖边气田第二净化厂空冷器节能改造效果评价。石油化工应用，2011，30白建军，冯启涛，郭增民，等。天然气净化厂冷却塔风机驱动方式改造简论。油气田环境保护，2011，21李晓娟，谭军，陈秀玲，等。一元化生活污水处理工艺在天然气处理厂的应用。石油化工应用，2012（2）赵传义，陈天兵，张俊明。城市BOT污水处理厂节能降耗研究。节能技术，2009，27（6）：564王新胜。火炬点火装置的性能及在生产运行中调试方法和技巧。化工进展，2012（S2）：313（上接第515页）4结论程湍流模型和多孔介质模型，对双通道烧结余热锅炉进行流场模拟，得到以下结论：余热锅炉烟气阻力和炉膜出口排烟温度的数值模拟结果与锅炉实际运行结果比较符合，说明数值模拟准确度较高，理论模型可行；在高温、低温烟气汇合后，各级换热器内的烟气温度比较均匀，这表明该余热锅炉各级换热器设计合理。然而高温烟气通道进口段区域的烟温偏差较大，说明该区域存在较明显‘’烟气走廊“，此处结构设计不够合理；锅炉高温烟气通道内的流速比较均匀，仅在进口段存在局部回流区。而低温烟气通道内的流速分布不均匀程度较大，存在高速气流直接冲刷后排炉墙情况，最高速度可达28m/s.由此可见该余热锅炉进口区域结构不够合理，应设计多个导流板以改善流动情况。