第３３卷 第２期 河北理工大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．２
２０１ １年５月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｔｅｂｅｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｌｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｍａｙ．２０１ １
文章编号：１６７４—０２６２（２０１１）０２—００８８—０５
转炉汽化冷却烟道余热分析
张爱虎
（－『司北联合大学冶金与能源学院，词北唐山０６３００９）
关键词：汽化冷却烟道；温度场；压力场；模拟 摘要：通过对转炉烟道的数值模拟，建立了转炉汽化冷却烟道模型，通过对烟道的温度场模 拟、压力场模拟以优化转炉汽化冷却烟道，降低单位能耗。对改善转炉冶炼的成本、减轻环境
污染和优化工艺结构具有重要意义。
中图分类号：ＴＫ１１＋５ 文献标志码：Ａ
０ 引 言
近年来，我国钢铁工业取得了令人瞩目的快速发展，中国钢铁工业通过２Ｏ世纪后５Ｏ年，特别是最后２０
年间的发展，目前已成为世界钢铁第一生产大国。２００５年中国钢产量达到３４ ９００万ｔ，超过了产钢量占世 界第２、３、４位国家的总和 。钢铁工业作为资源、能源密集型行业，是耗能大户，其耗能量占全国能耗量的
１６ 左右，但吨钢可比能耗比先进国家高２Ｏ 左右。能源问题日益成为我国钢铁工业健康可持续发展的主 要制约瓶颈之一印］。
１ 系统参数
河北某轧厂４座５５ ｔ转炉，日产钢量为１１ ０００ ｔ左右，汽化冷却系统为自然循环系统。２００８年对轧厂 的汽化冷却系统和烟气除尘系统进行了系统改造，回收蒸汽量和蒸汽压力有了很大进步。轧厂吹炼时汽包 补水量５７．６ ｔ／ｈ（调查数据），可产生蒸汽４６．１ ｔ／ｈ左右（按流量计算），保守估计可用于发电的蒸汽量至少 可达到３５ ｔ／ｈ，压力可达到１．６ ＭＰａ，为转炉余热发电奠定了良好的基础。调查期间由于蒸汽并人低压蒸汽
管网，因此压力较低，蓄热器出口压力只有０．４４ ＭＰａ，吨钢回收蒸汽量１００．５８ ｋｇ／ｔ钢。
２ 烟气组成及流量
烟道中烟气的组成：该转炉烟道中的烟气成分主要是ｃＯ和ＣＯ。，根据对烟气热值的测定，可估计ＣＯ
和Ｃ０。的体积分数均为５Ｏ 。
烟道中烟气的基本热力学参数：
与计算相关的热力学参数主要有烟气的密度、比热容、热导率、分子动力粘度等。这些参数都可以表示 成温度的函数，其形式为：
ｆ－／、 一Ａｌ＋Ａ２丁＋Ａ ＋…＋Ａ ｌ （１） ＣＯ和ＣＯ 的热力数据，加权平均后经多项式拟合得到』Ｄ，Ｃ ， ， 与温度的关系
根据实际测量结果，烟气进口温度ｔ 一１６００￣Ｃ，出口温度ｔ口一８５０℃；给水温度ｆ ＝＝＝２５℃，产生的饱和蒸汽
平均温度 一Ｉ６０℃；通过观察汽包水位变化计算可得一个吹炼周期（约３０ ｍｉｎ）内产生蒸汽量ｑⅢ：８．５ ｔ。 通过蒸汽侧计算总换热量为：
收稿日期：２（）ｌ（】一（
）９—２７ 第２期 张爱虎：转炉汽化冷却烟道余热分析 ８９
一
查表可得，ｔ ＝２５￣Ｃ，ｈ 一１０４．７６６ｋＪ／ｋｇ￣ 。一ｌ６０￣Ｃ，ｈ。＝２７５６．７２６ｋＪ／ｋｇ
代入上式计算，
取烟气平均温度 Ｑ 一 一 型一１２５２３．１４ ｋｗ Ｗ一————— 丽 ——一一 ・Ｋ
计算得Ｃ ＝＝＝１２１４．６（Ｊ／ｋｇ・ｋ） 根据热量平衡得出烟气流量为： ｆ 一 ≠一１２２５℃
‰一 一ｌ３．７４７（ｋｇ／ｓ） ｑ 一 ＿ 一 。 ｇ （２）
（３）
（４）
（５）
３ 计算模型
在主流区采用ｘ－－ｓ／ＲＮＧ模型，近壁面区域采用二层非平衡的壁面函数模型。
ｘ－－ｓ／ＲＮＧ模型：Ｋ－－ｓ／ＲＮＧ模型是从暂态Ｎ—Ｓ方程中推出的，使用了一种叫“ｒｅｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｇｒｏｕｐ”
的数学方法。
ｘ－－ｅ／ＲＮＧ模型的方程：
（ ）＋杀（ “ ）一亳（ 豢）＋ ＋ 一 —ｙＭ＋ｓ （６）
ｃ 十未ｃ 一亳ｃ 亳 ＋ｃ・ ｃＧ＋ｃ。 一 Ｐ ～Ｒ＋ｓ （７）
Ｇ 是由层流速度梯度而产生的湍流动能；Ｇ 是由浮力而产生的湍流动能；ｙ 是由于在可压缩湍流中，过
渡扩散产生的波动．ｆ１，ｃ。，ｃ 是常量；“ 和“ 是 方程和 方程的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数；Ｓ 和Ｓ 是用户定义的。
非平衡的壁面函数模型：该模型将壁面附近的区域分为粘性底层区和旺盛湍流区分别计算，并最终加以
耦合，其结果将比普通的壁面函数模拟出的结果更符合实际。
由于转炉烟道内的烟气温度相当高（进口达到１６００℃），所以气体辐射的影响相当大。为此采用离散传 播模型（ＤＴ）。该模型将整个烟道分成多个辐射面和辐射体，在每一个辐射体内假定气体具有灰体性质。气
体的辐射黑度和辐射吸收率有以下关系：
式中：
ｓ一烟气的黑度；
ａ一烟气的辐射吸收率，ｌ／ｍ；
辐射层平均厚度，ｒｌｌ。
本计算中主要考虑三原子气体Ｃ（）。的辐射，其关于温度的多项式为：
ｒ一０．０４２ ８９＋３．２４９ ３８ｅ一４．』’一１．４２９ ６５ｅ一７ ｒ』 （２７３ ，』、＜ｌｌ７３Ｋ） １ ０．２ｌ２ ９７—５．５４５ ０２ｅ一５ ｌ、一３．７２３ ０９ｅ一０９了 （１ １７３ ｌ’＜ ２５Ｏ０Ｋ） （８）
（９） ９Ｏ 河北理工大学学报（自然科学版） 第３３卷
４ 烟道基本结构
第＿龄 落蟓■
（正视图） （左视图） 图１转炉汽化冷却烟道
（正视图） （左视图） 图２ 简化图
５ 边界条件
（１）进口条件：
进口烟气质量流量：ｌ３．７－ ７（ｋｇ，ｉ＇ｓ），炯气温度：ｌ ８７３ Ｋ；
进口湍流强度：ｌ０ ，水力直径取各丁：况下烟道直径； 进口面发射率：０ （２）出［］条件 筇五段
÷１ 第２期 张爱虎：转炉汽化冷却烟道余热分析 ９ｌ
相对压力：０ＭＰａ； 回流温度：３００ Ｋ 出口湍流强度：ｌ０ ，水力直径取各工况下烟道直径；
出口面发射率：０ （３）壁面条件
材料表面粗糙度：０．４５ ｍｍ；
壁面温度：４５０ Ｋ（比饱和水蒸气的温度略高）； 对流换热系数：７０Ｗ／（ｍ ・ｋ）； 壁面发射率：０．９。
６ 计算模型及网格划分
运用Ｇａｍｂｉｔ软件作出烟道的简化图并进行网格划分：采用六面体ｃｏｏｐｅｒ划法对模型进行网格划分，计
算网格数为６２４ ６２４。边界类型：进口～ｉｎｌｅｔ／ｍａｓｓ—ｆ１ｏｗ—ｉｎｌｅｔ；出口一ｏｕｔｌｅｔ／ｐｒｅｓｓｕｒｅ—Ｏｕｔｌｅｔ。 温度场：
¨４ｔ・ｃ， ＿ 尝 暑 尊：
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… … … ｌ
正视图 左视图 图３温度场 结果分析：从图中可看出，烟道出口处温度约为ｌ１３８ Ｋ，与实际测得结果８５０℃较好吻合
压力场：
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强：－ 篆 强
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图４ 压向场 ９２ 河北理工大学学报（自然科学版） 第３３卷
结果分析：从图中可以看出，烟道大部分处于微正压状态，在弯头部分外侧压强较大而弯头内侧处于微 负压，这是由于烟气在流经弯管时受到弯管的约束而迫使其在弯管内作类似的圆周运动产生离心力，从而使
管外侧速度降低压力增大，管内侧速度增大压力减小。
７ 结 论
烟道出口处温度约为ｌ１３８ Ｋ，与实际测得结果８５０℃较好吻合。 烟道大部分处于微正压状态，在弯头部分外侧压强较大而弯头内侧处于微负压，这是由于烟气在流经弯 管时受到弯管的约束而迫使其在弯管内作类似的圆周运动产生离心力，从而使管外侧速度降低压力增大，管 内侧速度增大压力减小。
此次对转炉汽化冷却烟道的模拟对转炉烟气的回收利用的研究有很好的指导意义。 模型的求解现在虽有一定的成果，但是否与实际生产相符合，还需收集一定的现场数据，比如管道的厚 度、烟道出口的波动状况以及除尘类型等有关数据。利用这些数据来进一步验证本模型也是本研究方法的 重要内容之一。目前求得结果已与大量的文献中结果和其中实际生产数据进行了对比和验证，结果均表明
了结论的可靠性。
参考文献：
［１］萧泽强，朱苗勇．冶金过程数值模拟分析技术的应用Ｉ－Ｍ３．北京：冶金工业ｔｈ＇版社，２００６：１０． ［２］李洪福．炼钢转炉烟气余热回收利用研究ＣＤ３．济南：山东大学，２００６． ［３］ 冯聚合．炼钢设计原理ｒＭ］．北京：化学工、Ｉ 出版社，２００５，８．
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｈｅａｔ ｏｆ Ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｌｕｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
ＺＨＡＮＧ Ａｉ—ｈｕ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｔｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｈｅｂｅｉ ０６３００９，Ｃｈｉｎａ）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｌｕｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｌｕｅ，ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ
ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｔＯ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｌｕｅ，ｒｅｄｕｅ— ｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔＯ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ＢＯＦ，ｒｅｄｕｃｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅ
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