作為長流程原料制備的關鍵工序，燒結總熱量中反應耗熱僅占 19%，而燒結礦顯熱則占到 46%，是燒結余熱回收的重點。近年來，利用環冷機與直聯爐罩式余熱鍋爐相結合可將燒結礦顯熱回收效率提升至 50%，但是仍然存在廢氣品質不高、大量除塵散熱浪費、難利用廢氣無組織排放等問題。

　　為了提升環冷機的余熱利用效率，國內研究機構及企業基于大量已有理論研究成果，提出了多種環冷機余熱回收工藝及裝備改造方案，包括改善布料、調控運行參數、降低漏風率、優化余熱利用方式、煙氣循環利用等，雖然在一定程度上改善了余熱利用效果，但冷卻廢氣熱量依然難以高度集中，環冷機余熱回收仍有較大的提升空間。

　　在這種狀況下，基于小風慢冷厚料層的豎式冷卻技術受到行業的高度關注。相關理論研究結果表明，提升料層厚度、延長冷卻時間可以大幅提高余熱回收質量和顯熱回收效率，節能效果非常明顯。不過，以此為基礎的豎式冷卻技術雖然具有切實可行的理論依據，但是在使用過程中存在燒結礦冷卻不均、顯熱回收率達不到理想目標、裝備故障率高等問題，目前并沒有實現大規模工程應用。

　　針對該現狀，本文采用基于厚料層冷卻技術的預冷卻裝置取代現有環冷機冷卻系統的給料溜槽，將理論驗證可行的厚料層冷卻技術與可實現現場穩定運行的環冷機冷卻系統相結合，提出一種新的燒結礦顯熱回收方式，并在此基礎上將理論研究和仿真分析相結合，從氣流、料流、換熱過程等方面入手，對現有燒冷系統布置下的預冷卻裝置結構及運行參數進行設計。

　　1 預冷卻技術介紹

　　1.1 技術內容

　　在現有燒冷系統中，燒結機尾單輥破碎機與環冷機臺車之間的過渡空間用于安裝給料溜槽對環冷機進行布料，但存在下料落差大、環冷機布料平整度差、大量除塵散熱浪費等問題，影響燒結礦顯熱回收效果。本文引入預冷卻技術及裝置，一方面取代現有給料溜槽，采用緩存減沖的布料方式解決相關問題;另一方面，采用基于小風慢冷的厚料層冷卻技術對燒結礦進行預冷卻，并通過負壓抽風回收高品質余熱，提升蒸汽品質，減小環冷機冷卻負荷。

　　1.2 理論基礎

　　預冷卻裝置內部高溫燒結礦以氣固逆流換熱為主，具有換熱效率高、充分、冷卻廢氣品位高等優點。氣固換熱過程涉及多個傳熱方程，如燒結礦和冷卻風通過逆流換熱傳遞的熱流量公式，冷卻氣體帶走熱量的公式，以及對流換熱系數、綜合傳熱系數等的計算公式。

　　2 預冷卻裝置設計

　　2.1 預冷卻裝置結構方案

　　預冷卻裝置是核心裝置，其結構和運行參數設計的合理性決定了技術效果。設計重點包括下料結構及抽風口設計，要考慮物料下料、冷卻氣流分布、環冷機布料等情況;運行參數選擇會影響熱風品質及后續環冷機余熱回收利用，需結合冷卻系統及余熱鍋爐需求確定。本文提出兩種結構方案，并利用仿真平臺分析確定最佳結構和運行參數，驗證運行效果。

　　2.2 預冷卻裝置氣流分析

　　基于 Fluent 流場仿真平臺對不同結構方案裝置內部流場分布進行仿真計算，對比分析壓力場和速度場分布，為抽風口設計提供依據。計算過程中采用分塊結構化網格劃分區域，將物料假設為多孔介質，省略氣固換熱過程以簡化計算。結果顯示，方案一料層阻力較大，余熱回收流量低于方案二，且內部氣流速度較低，分布均勻性不如方案二，存在氣流死區，影響冷卻效果。

　　2.3 預冷卻裝置物料流分析

　　基于 EDEM 離散元仿真平臺對不同結構方案預冷卻裝置內部燒結礦運動情況進行仿真計算，對比分析流動形態、流動死區和偏析情況，為結構設計提供參考。采用特定方法構建仿真顆粒模型，確定相關參數。計算結果表明，方案二物料流動情況優于方案一，但方案二左側底板上部仍有流動死區，影響冷卻均勻性。

　　2.4 預冷卻裝置換熱分析

　　綜合流場和物料流動分析，方案二設計更優。為驗證其余熱回收和燒結礦冷卻效果，基于 EDEM - Fluent 耦合仿真平臺對方案二工況下裝置內部換熱過程進行計算，分析氣固兩相溫度分布，確定出口燒結礦溫度、抽風口熱風溫度等參數。結果顯示，燒結礦溫度下降達到預期，但裝置底板上部有堆積現象，影響正常排出;冷卻風溫從入口至余熱回收口逐漸升高，余熱回收品質達到預期。

　　2.5 裝置改造

　　綜合對比分析兩種結構方案，方案二雖有優勢，但出料口底板上部存在氣流短路、物料堆積現象，導致環冷機上燒結礦溫度有差異。在方案二基礎上對出料端進行改造，保證燒結礦順利排出，改進后的結構方案得以確定。

　　2.6 運行效果

　　燒結礦預冷卻技術及裝備于 2022 年 6 月應用于湘潭鋼鐵集團有限公司 360m² 燒結機，運行 1.5a 以來整體穩定，內部磨損輕、壽命長。主要技術效果為：優化環冷機料面，提高布料均勻性，增強冷卻均勻性，提升余熱鍋爐蒸汽產量，增加發電量和經濟效益;加厚料層，集中顯熱，降低環冷機后段煙囪風溫，提高余熱回收效率，減少難利用廢氣量，促進零排放。

　　3 結論

　　采用預冷卻裝置取代環冷機給料溜槽，結合厚料層冷卻技術與環冷機冷卻系統，形成的燒結礦預冷卻技術，可高效利用高品質顯熱，改善布料，提高顯熱回收效率。

　　基于理論研究和仿真分析設計預冷卻裝置結構，方案二在氣流分布、物料流動等方面優于方案一，但排料端有問題，經改進確定優化方案。

　　采用 EDEM - Fluent 耦合仿真方法模擬方案二工況下換熱過程，結果表明達到預期余熱回收效果。

　　該技術及裝備應用于湘潭鋼鐵集團有限公司 360m² 燒結機，運行穩定，優化了環冷機料面和熱量分布，提升了蒸汽產量。

廖繼勇;譚瀟玲;張 震;戴 波;盧興福,中冶長天國際工程有限責任公司工程技術研究中心;中冶長天國際工程有限責任公司國家燒結球團裝備系統工程技術研究中心,202403