本發(fā)明涉及鍋爐節(jié)能設(shè)備，尤其涉及一種利用冶金余熱鍋爐預(yù)熱氣固進(jìn)料的裝置和設(shè)計優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)代冶金工藝中，通過載氣將物料顆粒注入熔池是常見的操作方式。例如，煉鋼過程注入氧化鈣顆粒進(jìn)行脫硫；在浸沒頂吹方法煉錫工藝中，通過載氣將物料顆粒直接注入熔體深處等。被注入的低溫氣體和物料顆粒會在爐窯的高溫環(huán)境中被加熱升溫，固體顆粒還會發(fā)生熔化。氣固物料的升溫以及顆粒物料的熔化過程需要大量的能量，占據(jù)了入爐能量的大部分。同時，在冶煉過程中會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，所攜帶的能量占入爐總熱量的30％～50％。因此，如果能合理利用高溫?zé)煔獾哪芰?，對于幫助企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排具有重大意義。

2、近年來，隨著冶煉工藝的發(fā)展，新型爐窯大部分配備余熱鍋爐。高溫?zé)煔鈴臓t窯排出后，直接進(jìn)入余熱鍋爐，并加熱安裝在鍋爐中的水冷壁，形成高溫過熱水蒸氣，并利用過熱水蒸氣發(fā)電。余熱鍋爐雖然回收了部分熱能，但這部分熱能不再繼續(xù)參與冶煉主流程，無法有效提升冶煉效率?？傮w上，現(xiàn)有冶煉工藝的能量流是單向的，相當(dāng)一部分能量沒有被循環(huán)利用，使得入爐能量利用率低下，加劇了燃料的消耗，不利于節(jié)能減排。

3、現(xiàn)有技術(shù)中公開了用于回收冶金冷床余熱的余熱回收利用裝置，其目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中熱回裝置回收量少及熱回收裝置影響桁車運(yùn)行及需要人工處理產(chǎn)品缺陷的冷床，上述裝置中盡管余熱回收的初衷是提高能源利用效率，但裝置本身的能量轉(zhuǎn)換效率可能受到多種因素的限制。如熱傳導(dǎo)過程中的熱損失、設(shè)備內(nèi)部流動阻力的影響等，都可能導(dǎo)致最終回收的熱能低于理論值。

4、現(xiàn)有技術(shù)還公開了一種冶金加工余熱再利用裝置，使其在滿足冶金工業(yè)爐的正常使用的同時，能夠?qū)τ酂崂貌⑶覍σ苯鸸I(yè)爐原料進(jìn)行提前快速干燥處理，減少冶金工業(yè)爐使用時在對其干燥處理，節(jié)約能源，并且具有過濾有害物質(zhì)功能，減少對人體健康的危害。為了實現(xiàn)高效的余熱回收，該裝置采用了較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。這增加了設(shè)備的制造成本和后期的維護(hù)難度。在高溫、腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中，設(shè)備的維護(hù)和檢修將是一項艱巨的任務(wù)，可能導(dǎo)致維護(hù)成本較高。該裝置僅適用于特定類型的冶金加工過程或特定范圍的余熱回收。對于其他類型的冶金加工過程或超出其設(shè)計范圍的余熱回收，其效果可能不佳。

5、一種軋鋼廠冷床余熱利用系統(tǒng)，它的原理是：在冷床靜梁下s型布置帶有水套和涂層的無縫鋼管，進(jìn)行熱回收；該系統(tǒng)具有在冷床下方不影響正常生產(chǎn)的特征，該特征使得這種系統(tǒng)具有因冷床向下散熱少、溫度低、回收效率低的缺點和不足。

6、鑒于此，冶金工藝的能量循環(huán)體系尚存廣闊優(yōu)化空間。未來的發(fā)展方向，應(yīng)聚焦于構(gòu)建更加高效的能量閉環(huán)系統(tǒng)。這意味著不僅要持續(xù)提升余熱回收的效率與靈活性，更要探索將回收的熱能直接或間接地反饋至冶煉過程中，形成能量的雙向或多向流動，從而最大化地減少外部能源的依賴，提升整體能源利用效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種利用冶金余熱鍋爐預(yù)熱氣固進(jìn)料的裝置和設(shè)計優(yōu)化方法，大幅提升進(jìn)氣和固相物料的初始溫度，從而加速物料顆粒的熔化，提升冶煉效率的同時降低了燃料消耗，助力企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效。

2、一方面，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用冶金余熱鍋爐預(yù)熱氣固進(jìn)料的裝置，包括氣固混合通道，所述氣固混合通道上游管路分別連接壓氣機(jī)和投料裝置，所述氣固混合通道的下游管路延伸至鍋爐出口，所述氣固混合通道置于余熱鍋爐的上升通道和頂部通道上。

3、優(yōu)選地，所述壓氣機(jī)用于提供風(fēng)壓和載氣流量，實現(xiàn)氣力對進(jìn)料顆粒的運(yùn)輸；所述投料裝置用于控制物料給料率。

4、優(yōu)選地，所述氣固混合通道還能夠置于所述余熱鍋爐的高溫側(cè)壁上，所述氣固混合通道的寬度和數(shù)量決定換熱面積和最終加熱量。

5、另一方面，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種優(yōu)化方法，包括：

6、將固體域與流體域進(jìn)行三維建模及空間離散，形成網(wǎng)格；

7、基于所述網(wǎng)格，給定邊界條件及物性，初始化流場，并求解控制方程，獲得計算結(jié)果；

8、基于所述計算結(jié)果進(jìn)行評估。

9、優(yōu)選地，所述固體域和所述流體域交界面上的所述網(wǎng)格為連續(xù)網(wǎng)格。

10、優(yōu)選地，所述邊界條件包括煙氣的初始溫度和流量、外部環(huán)境溫度和對流換熱系數(shù)、載氣流量和顆粒質(zhì)量流量、出口壓強(qiáng)，以及將爐膛壁面設(shè)置為無滑移絕熱邊界條件。

11、優(yōu)選地，所述物性包括固體壁的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容；顆粒的直徑、比熱容、密度；氣相的密度、粘度、傳熱系數(shù)。

12、優(yōu)選地，所述控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，并采用非解析方法對所述控制方程進(jìn)行求解。

13、優(yōu)選地，基于所述計算結(jié)果進(jìn)行評估，包括：

14、從所述計算結(jié)果中提取顆粒出口溫度、氣相出口溫度、氣相進(jìn)口總壓，基于所述顆粒出口溫度、所述氣相出口溫度評價預(yù)熱效果，通過氣相進(jìn)口總壓評估氣力輸運(yùn)需要的能量；

15、通過改變不同的管路布局和給料條件，獲得最佳管路布局和操作條件；其中，所述給料條件包括顆粒屬性、給料質(zhì)量流量、氣相質(zhì)量流量。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果：

17、(1)本發(fā)明通過將氣固混合進(jìn)料管路布置在余熱鍋爐的水冷壁內(nèi)，可以實現(xiàn)回收高溫?zé)煔庥酂釋夤踢M(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱，改變了傳統(tǒng)的單向能量流動方式，實現(xiàn)了入爐能量的循環(huán)利用。基于此，物料顆粒和載氣在進(jìn)入爐窯前已具備較高的初始溫度，一方面可以節(jié)約冶煉所需的燃料，實現(xiàn)節(jié)能減排；另一方面，較高的初始溫度可以加速物料顆粒熔化，縮短其參與化學(xué)反應(yīng)的時間，進(jìn)而大幅提升冶煉效率。

18、(2)本發(fā)明提出的評估方法，可以定量評估不同管路布局和操作工況下載氣和物料的預(yù)熱效果，并基于此進(jìn)一步優(yōu)化管路設(shè)計和進(jìn)料參數(shù)。

技術(shù)特征：

1.一種利用冶金余熱鍋爐預(yù)熱氣固進(jìn)料的裝置，其特征在于，包括氣固混合通道，所述氣固混合通道上游管路分別連接壓氣機(jī)和投料裝置，所述氣固混合通道的下游管路延伸至鍋爐出口，所述氣固混合通道置于余熱鍋爐的上升通道和頂部通道上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用冶金余熱鍋爐預(yù)熱氣固進(jìn)料的裝置，其特征在于，所述壓氣機(jī)用于提供風(fēng)壓和載氣流量，實現(xiàn)氣力對進(jìn)料顆粒的運(yùn)輸；所述投料裝置用于控制物料給料率。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用冶金余熱鍋爐預(yù)熱氣固進(jìn)料的裝置，其特征在于，所述氣固混合通道還能夠置于所述余熱鍋爐的高溫側(cè)壁上，所述氣固混合通道的寬度和數(shù)量決定換熱面積和最終加熱量。

4.應(yīng)用于權(quán)利要求1-3任一項所述裝置的優(yōu)化方法，其特征在于，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述固體域和所述流體域交界面上的所述網(wǎng)格為連續(xù)網(wǎng)格。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述邊界條件包括煙氣的初始溫度和流量、外部環(huán)境溫度和對流換熱系數(shù)、載氣流量和顆粒質(zhì)量流量、出口壓強(qiáng)，以及將爐膛壁面設(shè)置為無滑移絕熱邊界條件。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述物性包括固體壁的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容；顆粒的直徑、比熱容、密度；氣相的密度、粘度、傳熱系數(shù)。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，并采用非解析方法對所述控制方程進(jìn)行求解。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的優(yōu)化方法，其特征在于，基于所述計算結(jié)果進(jìn)行評估，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種利用冶金余熱鍋爐預(yù)熱氣固進(jìn)料的裝置和設(shè)計優(yōu)化方法，裝置包括氣固混合通道，氣固混合通道上游管路分別連接壓氣機(jī)和投料裝置，氣固混合通道的下游管路延伸至鍋爐出口；氣固混合通道置于余熱鍋爐的上升通道和頂部通道上，或者置于余熱鍋爐的高溫側(cè)壁上；基于氣固混合通道的寬度決定換熱面積和最終加熱量。本發(fā)明提出的優(yōu)化方法，可以定量評估不同管路布局和操作工況下載氣和物料的預(yù)熱效果，并基于此進(jìn)一步優(yōu)化管路設(shè)計和進(jìn)料參數(shù)。本發(fā)明可以大幅提升進(jìn)氣和固相物料的初始溫度，從而加速物料顆粒的熔化，提升冶煉效率的同時降低了燃料消耗。

技術(shù)研發(fā)人員：楊世亮,于洪石,王華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14