钢铁厂烧结废气双通道余热锅炉流场数值模拟

张丽丽，张光学，杨启岳，丁丽霞

(1.浙江省能源与核技术应用研究院,浙江 杭州 310012；2.中国计量学院 能源工程研究所，浙江 杭州 310018)

钢铁厂烧结废气双通道余热锅炉流场数值模拟

(1.浙江省能源与核技术应用研究院,浙江 杭州 310012；2.中国计量学院 能源工程研究所，浙江 杭州 310018)

为了研究双通道余热锅炉内烟气流场的分布情况，基于Fluent平台，采用可实现的k-ε双方程模型和多孔介质模型，对某钢铁厂双通道烧结余热锅炉内流场(压力场、温度场、速度场)进行数值模拟。结果表明，余热锅炉烟气阻力和炉膛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；锅炉高温与低温烟气通道结合区域存在烟气走廊，结构不够合理；另外，锅炉进出口由于缺乏合适的导流装置，流场不均匀程度较大。研究结果可为双通道余热锅炉结构改进提供理论指导。

余热锅炉；烧结；余热利用；数值模拟；双通道

0 引言

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[1]。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[2]。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一定的应用[3]，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视，《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”[4]。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[6]，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实验和理论研究，对其流场了解不够深入。而余热锅炉内烟气流场分布对换热效率、压力损失和换热器磨损等的影响很大[7]，因此，研究双通道余热锅炉中烟气的流场分布、尤其是两通道合并处的烟气流场分布非常有必要。

本文以某钢铁厂烧结余热发电系统为原型，采用CFD数值模拟的方法，对余热锅炉进行建模、划分网格。对换热器采用多孔介质及分布阻力模型进行模拟。通过以上研究，得到余热锅炉内烟气流场分布。同时，在数值模拟的基础上，也为双通道余热锅炉结构改进提供理论指导。

1 烧结余热发电系统

某钢铁厂目前拥有2条烧结生产线，产生150～450℃的余热烟气。为了利用余热烟气，钢铁厂建成了烧结余热发电系统。该系统利用环冷机高温段和中温段排放的烟气进行发电，烟气量均为4×105m3/h，温度分别为375℃和300℃。

烧结余热发电系统使用的是双通道双压余热锅炉，其结构见图1所示。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。

图1 双通道双压余热锅炉结构

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/m3·h-14×105/4×105烟气温度/℃375/300高压蒸发量/t·h-148高压过热蒸汽温度/℃335高压过热蒸汽压力/MPa2．05低压过热蒸汽压力/MPa0．49低压过热蒸汽温度/℃225排烟温度/℃137

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-ε双方程模型，其方程组的通式[8]为

div(ρυφ)=div(Γφφ)+Sφ

(1)

式中ρ——气流密度；

υ——速度矢量；

φ——通用因变量；

Γφ——输运系数；

Sφ——源项。

相对于标准k-ε模型，可实现k-ε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-ε模型不同。通过修正后的标准k-ε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-ε模型的湍流动能k和湍流动能耗散率ε的输运方程为

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——由于浮力产生的湍流动能；

Sφ、Sε——用户自定义源项；

C1ε、C2、σφ、σε、C3ε——常数;

μ、μt——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[9]。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[10]

(4)

式中Si——i向(x,y,z)动量源项；

μ——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，虽然作一定简化，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图2。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，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。

图2 双通道余热锅炉网格划分

3 数值模拟结果及分析

3.1 压力场分布

图3和图4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1 210 Pa，与锅炉实际运行值1 300 Pa比较接近，说明数值模拟准确度较高，理论模型可行。

图3 余热锅炉内压力场分布

图4 烟气通道内压力分布

3.2 温度场分布

图5 余热锅炉内温度场分布

图6 烟气通道内温度场分布

图5和图6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。炉膛出口的排烟温度为161℃，与锅炉的实际运行值150℃比较符合。

3.3 速度场分布

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。

图7 余热锅炉内速度场分布

图8 低温烟气通道速度场分布

图7和图8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28 m/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。

图9 余热锅炉内烟气流线分布

图9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。

4 结论

本文基于Fluent平台，采用可实现的k-ε双方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：

(1)余热锅炉烟气阻力和炉膛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；

(2)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；

(3)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28 m/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。

[1]张光学,池作和,周朝晖,等.烧结余热发电补燃装置的设计及数值模拟[J].动力工程学报,2012,32(2):135-139.

[2]刘三军,苏震,张卫亮,等.安钢烧结环冷机余热回收发电技术[J].冶金能源,2009,28(6):40-43.

[3]陈伟迎.烧结机余热锅炉简介[J].余热锅炉,2009(2):11-14.

[4]中华人民共和国国务院.国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006━2020年)[EB/OL].http://www.gov.cn/irzg/2006-02/09/content 183787.htm,2006-02-09.

[5]陈通.烧结余热节能技术的应用及效果[J].冶金动力, 2011,148(6):53-56.

[6]齐楠楠,魏巍,马林贵.双烟道双压余热锅炉在邯钢的应用[J].冶金动力,2012(1):47-48.

[7]王猛.转炉烟道式余热锅炉热力计算及数值模拟[D].大连:大连理工大学,2012.

[8]王福军.计算流体力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004:24-158.

[9]李宏侠.高纯油窖烟气脱硝的研究[D].沈阳:东北大学,2010.

[10]安晓玲.SCR法烟气脱硝技术的数值模拟[D].保定:华北电力大学,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修订稿日期2014-07-24

浙江省科技计划项目(2014F60002)；浙江省创新团队项目(2013F20003)

张丽丽(1983～)，女，硕士，助理研究员，主要从事能源系统研究。

TK229.92+9;TM617

A

1002-6339 (2014) 06-0512-04