5-董辉-烧结余热回收

2.2 关键科学问题的凝练及研究进展
罐式回收是否可行，主要考虑（从热工角度）： （1）料层阻力是否太大？气流分布是否均匀？ 料层阻力↑→气固接触越不充分→气固热交换不充分 →鼓风机能耗 ↑→系统经济性下降 气流分布不均→气固接触不均→气固热交换不均
（2）罐体料层内气固传热是否充分？
气固传热，决定了热载体所携带余热的㶲值以及烧 结矿冷却效果，进而决定了吨矿发电量
1.1.3 关键技术与实施效果
1）保证余热锅炉热源稳定：2台烧结机-2套余热锅炉-1套 汽机系统，即两炉一机模式；或引入外界热源； 2 ）强化烧结矿取热：设置适宜的冷却风量、环冷机内 烧结矿料层高度、环冷机运行速度； 3 ）提高余热锅炉参数：强化烧结矿取热，提高锅炉进 口热风温；目前锅炉蒸汽参数尚具有一定挖掘潜力。 4）强化环冷机密封：
风箱
2.1罐式余热回收系统的构思及研究思路
（2） 显热仅部分被回收，且回收得到余热品位较低 回收温度较高的一、二段冷却废气，此时，环冷二段尾 部烧结矿温度约300~320℃，回收率50% ~55%。
De-dust
一段 水 余热 锅炉
二段
三段
四段
五段
两部分损失，以我国7.0亿吨年产来计，3.8个三峡。
烧结余热回收现有研究基础 及未来发展路径的探讨
董 辉 冯军胜 蔡九菊
东北大学 热能工程系
2016年5月 1
每生产1吨烧结矿 显热 GJ 0.42 1.02 能级 0.13 0.51 所占 比例% 29% 71% 温度㶲GJ 0.05 0.52 所占 比例% 10% 90%
烧结烟气 烧 结 矿
烧结余热占钢铁企业余热总量13.4%；以我国7.0亿t烧结
1.1 烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）
1.1.1 技术的提出 针对于目前我国烧结余热利用存在的不足，结合烧结 余热数量较大、品质差异较大，遵循吴仲华先生的“温度 对口、按质用能”的能源利用原则，集成国内外先进单体 技术，提出了“分级回收与梯级利用”技术 ： ①按余热品质分级回收；②将余热优先用于工序本身 即直接热回收，然后梯级利用各种品质余热： 温度较高→动力回收（发电）； 居中→动力回收、直接热回收，改善工艺 较低→直接热回收，改善工艺。
（1）提出50万t/a罐式回收中试系统的结构和操作参数； （2）提出360m2烧结机罐式回收系统的结构和操作参数。
主要来自百度文库容
1 基于环冷机模式余热回收
1.1 分级回收与梯级利用技术
1.2 环冷机操作参数优化
2 竖罐式余热回收 2.1 系统的构思及研究思路 2.2 关键科学问题的凝练及研究进展 2.3 关键技术问题的凝练及研究进展 3 总结及展望
余热锅炉在低参数下运行，再加上进口热载体品质的提
高；锅炉参数的提高具有一定潜力。 冷却风量 料层高度 环冷 热载体品质 机 热载体数量 余热 锅炉 蒸汽品质 汽轮机 吨矿 蒸汽产量 发电机 发电
1.2 环冷机操作参数优化（技术二）
典型研究结果： 冷却风量 料层高度 环冷机 热 载 体 㶲 值
热载体品质
•基于冷态模式→热态模式；
•基于Ergun公式模式→打破Ergun公式模式*。
•实验研究（冷却段高 H=0.5m/1.0m/3.0m ，实 验室实验→小试，克服料层高与边缘效应）；
•数值计算。
（1）烧结矿层阻力特性的实验研究—Ergun方程修正法
鼓风
温 热电偶1# 1200mm 度 监 热电偶2# 900mm 测 热电偶3# 400mm 柜
基于环冷机模式的余热回收存在着先天不足： （1）冷却漏风率较高 上部漏风率 15%~20% ，集风罩
Ⅱ Ⅰ
因此而损失的发电量占现
有发电量的27.3％ ； 下部漏风率 20%~30% ， 鼓风机因此消耗的无效功 率占现有功率的28.6%。 ——折合每生产 1 吨烧结矿损失 1.5~1.8kgce；将使 得烧结工序能耗增加3%~4%。
P
冷矿
烧结余热竖罐式回收与利用的工艺流程图
2.1罐式余热回收系统的构思及研究思路
罐式回收系统的工程示范及推广 罐式回收系统的中试 罐式回收系统的小试
工程化技术攻关 ——工程化转换问题
技术可行性 ——关键技术问题 理论可行性 ——关键科学问题
罐式回收系统的实验室实验 解析研究 数值计算
目前研究节点：开展了6万t/a小试（竖罐部分），藉此
1.1 烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）
1.1.2 工艺路线
空气 孔板流量计 除尘器
De-dust
至非脱硫 至脱硫 阀体
空气 除 尘 器 一段 二段
Dedus
外排 直排 四段 五段
主抽 风机
外接 汽源
水
De-dust
三段
余热 锅炉
某328m2烧结机余热利用原则工艺流程图1
1.1 烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）
（2）烧结矿层气体流动的数值计算
流速等值线云图与速度矢量图
压力等值线图与流线图
2.2.2 气固传热问题的研究
烧结矿料层等填充特性（实验研究） （1）
烧结矿料层内气固传热系数(实验研究)
（2） 烧结矿料层内气固㶲传递系数（实验研究） （3） 烧结竖罐内的气固传热过程（实验及模拟）
（1）烧结矿层气固综合传热系数*的实验研究
源上提高烧结矿显热回收率，并提高热载体的品质。

——借鉴CDQ 系统提出烧结矿余热罐式回收利用技术
2.1罐式余热回收系统的构思及研究思路
水/蒸汽 空气 烧结矿 一次除尘器 预存段 竖 罐 冷却段 二 次 除 尘 器 风机 余热 锅炉 纯水 除氧式 冷凝器 凝结水泵 汽轮机 发电机
热矿
省煤器 旋转密封 卸料阀
（1）烧结矿层阻力特性的实验研究—量纲分析法
ln Eu 1.068ln L / D 1.56ln(d p / D) 0.318ln Re 2.008
UD 0.319 D 2 P / L C U ( ) d p
1.56
2.1罐式余热回收系统的构思及研究思路 不识庐山真面目，只缘身在此山中！
——传统模式余热回收方式需要一次变革性举措！ 2007年，提出竖罐式回收工艺 在 困 难 中 坚 持 前 行 ！
2009年，辽宁省自然科学基金
2010年，国家（首个）发明专利授权 2012年，国家自然科学基金 2015年，辽宁省科技计划项目
1 基于环冷机模式余热回收 1.1 烧结余热分级回收与梯级利用（技术一）
1.1.1 技术的提出
De-dust
一段
二段
三段
四段
五段
水
余热 锅炉
1）引进余热锅炉以后的成套设备，只关注余热锅炉以 ）余热部分回收：仅回收了温度较高冷却废气显热， （ 3 2 ）回收余热利用形式单一：余热仅用于回收蒸汽（发 弃置了烧结烟气和温度居中的冷却废气所携带的显热； 电），忽视了热风烧结或预热混合料的可能 后的环节，造成烧结矿取热困难。 (用于自身)；
热载体数量
冷却风量 潜力：吨矿发电量有望提高20%。
主要内容
1 基于环冷机模式余热回收
1.1 分级回收与梯级利用技术
1.2 环冷机操作参数优化
2 竖罐式余热回收 2.1 系统的构思及研究思路 2.2 关键科学问题的凝练及研究进展 2.3 关键技术问题的凝练及研究进展 3 总结及展望
2.1罐式余热回收系统的构思及研究思路
两大关键科学问题：
——竖式颗粒床层气固逆流式流动、传热问题。
2.2.1 烧结矿层阻力特性及气流分布问题的研究
气固流动问题：阻力特性与气流分布 烧结矿几何因子及颗粒分布特性*（实验研究）
烧结矿层空隙率分布等填充特性（实验研究）
罐体内烧结矿层 阻力特性* （实验研究） （1）
罐体内烧结矿层 气流分布特性* （数值模拟研究）
矿产量计，烧结余热10.1亿GJ，相当于11.7个三峡。
烧结余热高效回收利用是目前我国钢铁企业余热利用的 主要方向之一。
东北大学热能工程系董辉、蔡九菊团队励精图 治，潜心于烧结余热回收研究10余年！
1、基于原有环冷机模式： 技术一： 烧结余热分级回收与梯级利用（2005-2012） 2009年获国内首个发明专利 依据吴仲华院士16字科学用能方针，提出了~；借助863 计划和发改委重大专项，开展：技术攻关→部分实施 技术二： 环冷机操作参数优化（2013~现今） 维持现有环冷机结构型式前提下，开展技术攻关，改善 其操作参数，即：冷却风量、料层高度及环冷机运行速 →寻求技术合作。
（1）烧结矿层气固综合传热系数的实验研究
烧结矿筛分
烧结矿加热
加料
卸料
冷却数据记录
L D
1.068
（2）烧结矿层气体流动的数值计算 手段：采用CFD软件+二次开发：颗粒形状系数+空隙率 分布函数+基于移动床和固定床模式
顶部：焦炭入口 x g
储存室 斜道
预存段
斜道排风
斜道
中心 轴线 u v R0
斜道排 风口
冷却室
冷却段
底部：焦炭出口，气体入口
气体 入口
物理模型
网格划分
技术四：烧结烟气显热回收与脱硫一体化（2008~2010） 借助辽宁省科技计划项目，提出了~，开展：理论研究 →技术攻关（目前搁浅，寻求技术合作）。 获得发明专利
主要内容
1 基于环冷机模式余热回收
1.1 分级回收与梯级利用技术
1.2 环冷机操作参数优化
2 竖罐式余热回收 2.1 系统的构思及研究思路 2.2 关键科学问题的凝练及研究进展 2.3 关键技术问题的凝练及研究进展 3 总结及展望
2: 打破原有环冷机模式
2010年获国内首个发明专利
技术三：烧结矿余热竖罐式回收（2007~现今）
借鉴CDQ，结合炼铁高炉，提出了~；借助国家自然科 学基金及辽宁省科技计划项目，开展：理论研究→技术 攻关，提出了一整套中试系统（50万t/a）以及与360m2 烧结机配套的结构和操作参数→寻求合作伙伴。 3: 基于烧结烟气脱硫与余热回收相互孤立甚至矛盾：
意义：基础性实验之一；为后续的数值计算提供基础数据
，同时为强化传热提供理论支撑。
内容：获得气固综合传热系数经验关联式，藉此分析影响 综合传热系数的主要因素及其影响规律。 方法：实验方法
•基于固定床模式 *—时间模拟空间 *→移动床模式（排料+ 漏风+料的加热）； •基于面积综合传热系数→体积综合传热系数*； •从实验室实验→小试（排料+漏风+料的加热） 。
（1）烧结矿层气固综合传热系数的实验研究
采用量纲分析法推导出 料层气固传热系数的经 验关联式
通过在不同工况下所得 实验数据确定经验关联 式的指数和系数
Nu 1.205Re
0.508
H 0.137 T f 0.5 Pr ( ) ( ) d Tw
0.4
使用范围： 0.687 Pr 0.703 1190 Re 3980
（2）
（1）烧结矿层阻力特性的实验研究
意义：床层阻力特性是决定罐式回收系统是否可行的主要
因素之一，同时还影响着气固传热过程；为如何减小阻力 提供理论支撑；为后续的数值技术提供基础数据。 内容：研究阻力特性经验关联式，藉此分析影响阻力特性 的主要因素及其影响规律。 方法： •基于固定床模式→移动床模式（排料）*；
压 力 测 量
孔板流量计
P D (1 ) 2 [200879 .58exp( ) 489.09] 3 u 2 0 L 1.96d p ( s d p ) D (1 ) 2 [ exp( ) 0.99] 3 u0 11.50d p ( s d p )
2.1罐式余热回收系统的构思及研究思路
环冷机模式余热回收的先天不足的成因： •环冷机在上下固定的风箱中“穿行”，使得漏风不可避免； •环冷机“卧式”结构，使得冷却风与烧结矿交叉错流流
动传热，烧结矿显热部分回收。
技术变革原则： •变“穿行”为“静止”，从根源上避免漏风； •变 “ 卧式 ” 为 “ 立式 ” ，变“交叉错流”为“逆流”，从根
效果：部分实施（设想很丰满，实施很骨干）
吨矿发电能力18kWh；吨矿直接热回收2~4kgce
1.2 环冷机操作参数优化（技术二）
核心任务：对目前的环冷机模式余热回收进行技术改造 关键共性技术：维持现有环冷机结构形式、结构参数下 设置适宜冷却风量/ 料层高度/环冷机运行速度 环冷机更多是基于矿的冷却，不是基于余热回收；环冷 二段末端矿温较高；现有的操作参数需要重新审视。 设置适宜余热锅炉的运行参数（蒸汽的压力和温度）