竖冷炉内烧结矿分布的DEM模拟
祁腾飞1，黄军2，孙俊杰3，张永杰1,4
(1. 东北大学冶金学院， 沈阳 110819；2. 内蒙古科技大学能源与环境学院， 内蒙古 包头 014010；3. 上海梅山钢铁股份有限公司技术中心， 江苏 南京 210039；4. 宝钢股份有限公司中央研究院， 上海 201900)
摘要：为研究竖冷炉料层透气性以改善冷却气体分布，建立梅钢竖冷炉单料仓扁平模型，采用离散单元法模拟研究了竖冷炉布料和排料过程，获得了稳态下竖冷炉内烧结矿分布和孔隙率分布的微观信息。结果表明，布料时由于落料点位置的变化，烧结矿会产生偏析分布。在烧结矿流动稳定的状态下，炉腔存在准静止区、活塞流区和汇聚流区3种流动区域；就烧结矿分布而言，炉腔中心区含有更多的10~25 mm和25~40 mm颗粒，炉腔中间区则分布有更多的40~80 mm和80~150 mm颗粒，炉腔边壁区中上部25~40 mm和40~80 mm颗粒的质量分数更高，而下部80~150 mm的颗粒质量分数更高。上述烧结矿分布使炉腔边壁区和中间区发生大颗粒偏析，炉腔中心区发生小颗粒偏析；孔隙率呈炉腔边壁区和中心区较大、中间区较小的“U”形分布。料层透气性在边壁区最好，导致冷却气体易从边壁区逸出。为改善冷却气体在炉内的分布，可尝试从缩小入炉烧结矿粒度范围以及开发新型布料装置展开进一步研究。
关键词：烧结矿； 竖冷炉； DEM； 粒径分布； 孔隙率
1 引言
中国烧结工序能耗约占整个钢铁行业的10%~15%，比发达国家能耗水平高19%左右。对烧结余热进行回收成为降低烧结工序能耗的重要手段。烧结矿显热占烧结机总输出热量的35%~40%，且品质高、数量大、易被空气介质携带，因此成为烧结余热资源回收的重点。目前中国钢铁企业烧结显热回收主要在环冷机上进行，存在耗风量大、漏风率高、粉尘逸出多、显热回收效率低等弊端。针对上述不足，学者借鉴干熄焦技术，提出了烧结矿显热竖式回收工艺，其核心环节在于竖冷炉内高温烧结矿与冷却气体的逆流换热。相关学者就烧结矿填充床高度和直径、气体流速、气料比、冷却气体温度等参数对竖冷炉内气体压降特性以及矿-气换热特性的影响展开了大量研究，并以热烟气值为指标对上述参数进行了取值优化。但现有研究往往将烧结矿填充床简化为均匀分布的多孔介质，忽略了烧结矿分布对气-固换热的影响。事实上，由于实际生产过程中入炉烧结矿粒度范围达0~150 mm，竖冷炉内极易产生烧结矿的偏析分布，导致烧结料层孔隙率分布不均，冷却气体无法充分与烧结矿换热。因此，研究竖冷炉内烧结矿的分布特性对改善气固换热效率具有重要意义。
研究冶金反应器内炉料分布规律主要采用物理试验和离散元模拟2种方法。物理试验研究时，通常将工业设备按比例缩小至实验室规模，并通过相似原理确定试验条件参数。开展物理试验成本较高，难度较大，而且由于测量条件限制，只能得到一些宏观的物料运动规律，难以精确获得物料粒径分布、孔隙率分布以及速度分布等微观信息。因此，通过跟踪每个颗粒的运动从而获得整个颗粒体系宏观性质的离散单元法逐渐成为研究物料分布的主要方法。XU W X等建立了4 070 m3无顶料钟并罐式高炉布料系统的全模型，利用离散元法研究了炉料在装料过程中的偏析分布现象。WEI H等研究了高炉炉喉中料层孔隙率的分布及其在装料过程中沿径向和纵向分布的动态变化，发现不同粒径颗粒的质量分数对径向孔隙率分布有影响。ZHOU H等就不同炉料形状对COREX竖炉内气流分布的影响进行模拟研究，发现不同炉料形状会影响颗粒分布，引起颗粒级配差异，使得“V”形炉料产生最大孔隙率。KOU M Y等建立了COREX-3000上部3D模型，研究了布料过程中，不同底基形状对炉料分布和径向粒度分布的影响，指出为获得理想的炉料和气体分布，布料矩阵和底基形状需要很好地匹配。竖冷炉是一种“黑箱”式的新型换热设备，目前对炉内烧结矿颗粒分布规律的研究鲜有报道。基于此，本文以梅钢竖冷炉单料仓准三维扁平模型为基础，采用离散单元法追踪了竖冷炉从布料到稳定运行过程中烧结矿物料的分布变化规律，同时得到了稳态条件下烧结矿分布和孔隙率分布的微观信息，以期为改善梅钢竖冷炉存在的排矿温度不均匀且偏高、排气温度不稳定且偏低等问题提供理论依据。
2 精选图表
3 结论
(1)布料结束后，大颗粒主要分布在“上部边壁三角区”和“中心三角区”，小颗粒主要分布在“副对角线区”。
(2)排料900 s后竖冷炉基本达到烧结矿稳定流动状态，此时炉内存在3种流动区域：在炉腔边壁区域和中心风帽上方区域形成准静止区；在炉腔中间区和中心区形成活塞流区；在下料通道内形成汇聚流区。
(3)稳定流动状态下，炉腔中心区含有更多的10~25 mm和25~40 mm颗粒；炉腔中间区则布有更多的40~80 mm和80~150 mm的颗粒；对于炉腔边壁区中上部，25~40 mm和40~80 mm颗粒的质量分数更高，而下部80~150 mm的颗粒质量分数更高。上述烧结矿分布使炉腔边壁区和中间区发生大颗粒偏析，炉腔中心区发生小颗粒偏析。孔隙率的分布与粒径偏析分布有所不同，呈现炉腔边壁区和中心区孔隙率较大、中间区孔隙率较小的“U”形分布。
(4)现有条件下，炉腔边壁区烧结矿料层透气性更好，导致冷却气体易从边壁区偏行逸出，从而影响高温烧结矿与冷却气体的换热效率。为改善炉内冷却气体的分布，应对竖冷炉内烧结矿的分布展开优化。可从两方面展开研究，第一，可通过筛分或破碎等方法尝试缩小入炉烧结矿粒度范围，减少炉内烧结矿因多粒度堆积而形成的紧密区域以提高料层孔隙率；第二，现有竖冷炉的布料管只能够对空腔布料时烧结矿的落料进行调节，在物料填充完毕后难以调节烧结矿的落料位置，因此，可尝试研发能够实现动态布料的新型布料装置。
