烧结余热回收竖冷窑壳体ABAQUS有限元分析与优化设计

1烧结余热回收竖冷窑壳体ABAQUS有限元分析与 优化设计雷润亚（中冶东方工程技术有限公司秦皇岛研究设计院 066004）提 要 采用有限元分析软件ABAQUS对烧结余热 回收竖冷窑壳体进行分析，得到了钢结构壳体在内部烧结料压力作用下的应力及位移大小随壳体厚度的变化规律，通过校核证明初始设计是安全的，并提出优化设计方案。关键词 余热 回收 竖冷窑壳体 ABAQUS 有限元分析 优化设计ABAQUS Element Analysis and Optimizing Design forFurnaces Shell of Waste Heat Recovery after SinteringLei Runya（BERIS Engineering and Research Corporation Qin Huangdao 066004）Abstract：Using finite element analysis software ABAQUS to analyze furnaces shell of waste heat recovery after sintering. Finding that pressures of steel shell is under the action of sintering material stress changing with the thickness of the shell, by means of checking proves that the initial design is safe, And optimizing design scheme is put forward.Keywords：Heat Recovery Furnaces Shell ABAQUS Element Analysis Optimizing Design1 引言 2钢铁工业是国民经济重要基础产业，能源消耗量约占全国工业总能耗的 15%，废水和固体废弃物排放量分别占工业排放总量的 14%和 17%，是节能减排的重点行业。当前 钢铁行业发展面临严 峻挑战和新的发展机遇，传统的粗放型发展模式已难以为继，迫切要求行业企业 以节能减排为抓手， 积极 转变发 展方式，利用高新技 术改造、提升行业技术管理水平，走科技含量高、 经济效益好、 资源消耗低、环境污染少的新型工业化道路。在钢铁企业中，烧结工序能耗仅次于炼铁工序，占 总能耗的9%12%，节能潜力很大。烧结余热发电是一 项将烧结废气余热资源转变为电力的节能技术。该技术不产生额外的废气、废渣、粉尘和其它有害气体，能够有效提高烧结工序的能源利用效率，平均每吨烧结矿产生的烟气余热回收可发电20kWh ，折合吨钢综合能耗可降低约8千克标准煤，从而促 进钢铁企业实现节能降耗目标。本方案计划用3年时间（20102012年），在重点大中型钢铁企业中有针对性地推广烧结余热发电技术，预期在钢铁行业的推广比例达到20%，形成157.5万吨标准煤的节能能力，为钢铁企业在日益激烈的市场竞争中进一步降低生产成本、实现节能降耗发挥积极作用。 钢铁企业烧结工序能耗仅次于炼铁工序，居第二位，一般为企业总能耗的9%12%。我国烧结工序的能耗指标与先进国家相比差距较大，每吨烧结矿的平均能耗要高20千克标准煤，节 能潜力很大。 烧结余热回收主要有两部分：一是烧结机尾部废气余热，二是热烧结矿在冷却机前段空冷时产生的废气余热。这两部分废气所含热量约占烧结总能耗的50%，充分利用这部分热量是提高烧结能源利用效率，显著降低烧结工序能耗的途径之一。 目前，国内烧结废气余热回收利用主要有三种方式：一是直接将废烟气经过净3化后作为点火炉的助燃空气或用于预热混合料，以降低燃料消耗，这种方式较为简单，但余热利用量有限，一般不超过烟气量的10%；二是将 废烟气通过热管装置或余热锅炉产生蒸汽，并入全厂蒸汽管网，替代部分燃煤锅炉；三是将余热锅炉产生蒸汽用于驱动汽轮机组发电。从实现能源梯级利用的高效性和经济性角度分析，余热发电是最为有效的余热利用途径，平均每吨烧结矿产 生的烟气余热回收可发电20kWh ，折合吨钢综合能耗可降低8千克标准煤。我国 烧结余热发电机组按余热锅炉形式分为四种，即：单压余热发电技术、双压余热发电 技术、 闪蒸余热发电技术 和补燃余热发电技术。近年，低温余热发电技术已在建材等行业得到了广泛应用，特别是随着双压、闪蒸发电技术和补汽凝汽式汽轮机技术获得突破，大大提高了余热回收效率，为钢铁企业烧结余热发电技术的推广创造了条件。2004年，马钢引进日本川崎技术在2台300m 2烧结机上建 设了国内第一套余热发电系统（装机容量17.5MW）， 该系统于2005年9月并网发电。随后多家钢铁企业对烧结余热资源及发电技术开展了前期调研工作。 目前，我国已建成的10套烧结余热发电机组共涉及19台烧结机，烧结机面积共4849m2，发电机组总装机容量 137MW。此外，安钢等一些企业正在施工建设烧结余热发电站。 烧结余热发电技 术推广比例不及4%。 烧结余热发电技术在国内应用已经成熟，全套设备可以国产化，已具备全面推广的条件，但仍存在以下问题 。一是企业对低温余热利用观念尚未完全转变。过去，受低温余热技术发展的限制，国内企业大多将烧结余 热用于助燃空气、 预热混合料或利用余热回收装置产生4蒸汽，余热回收利用效率不高。伴随着 烧结机的大型化，传统的余热利用途径已无法充分利用余热资源，达到效益的最大化，需要企业转变观念重新认识低温余热利用。 二是烧结余热发电机组运行效率不高。烧结余热发电机组对烟气流量及温度均有一定要求，实际运行中，运行效率受烧结设备大小、生产工况等多方面影响，余热回收系统的工作参数变动， 输出的压力、温度、流量随之 变化，导致发电机组的运行效率不高。 三是烧结余热发电装置投资较大。烧结余热发电装置建设资金约占烧结机投资的10% 20%，资金回收期较长在一定程度上影响烧结余热发电技术的推广。 因此开展烧结余热回收设备的优化设计有着重要的理论与工程实际意义。本文采用大型有限元分析软件ABAQUS对国内外首个烧结 余热回收竖冷窑结构即天津天丰竖冷窑壳体进行有限元分析，得出不同厚度壳体在内部烧结料压力作用下的应力及位移分布规律，对组成 竖冷窑本体的主要结构构件进行了承载能力和变形验算，确保其安全可靠、经济合理；并对壳体结构进行优化设计，既很好的满足了功能要求和结构的安全性，又最大程度的减少了结构材料用量，从而降低了工程造价， 为今后竖冷窑的“产 品化” 及其推广奠定了良好基 础。2 竖冷窑壳体及其分析模型2.1 竖冷窑壳体设备工艺图天津天丰竖冷窑项目，是我国首例利用烧结余热发电的工程实践，根据天津天丰烧结余热回收项目设备工艺图纸，设备结构较为复杂，包括顶部炉盖、上部 钢筒体、下部钢壳体及支撑梁柱。本文 仅取下部锥型漏斗钢结构部分进行分析，如图1、 2所示。竖冷窑钢结构壳体为双层锥型漏斗结构，壳体间空隙为进气道，下部壳体上方形孔5为配风十字梁通道。壳体上部开口直径11.12m，壳体总高为6.95m ，上部壳壁、下部壳体与水平方向夹角分别为50、53，壳体厚度均 为20mm。采用 Q235-B钢材，弹性模量为2.0610 5N/mm2，泊松比为0.3。壳体平均温度80 ，内摩擦角为33。图1 竖冷窑壳体简图图2 下部锥形壳体示意图62.2 竖冷窑壳体三维有限元模型 在对壳体结构应力分析的数值模拟研究中，以往大多数是选取壳体单元对其进行建模分析。选用壳体单元建模，计算时在减小储存空 间、 缩短运算时间基础上保证了一定的精度，但同样存在缺点：壳单元建模是采用其中面轴线，因而涉及结构不连续位置往往模拟效果不理想。另外一种建模方式便是全部采用三维实体单元模拟整个结构，包括板件间的连接。其优点是真实反映管件内外表面应力，相 对于二维壳单元模拟其两板件交接处计算得出应力精度更高，这主要是由于实体元能模拟出板件的实体性。通过综合分析，本文采用三维实体单元进 行建模。由于结构在正常使用下受力较特殊，它同时传递并承受横向弯曲变形和中面内伸缩变形作用，几何形状也 较复杂，因此在 对结构进 行应力分析时，往往会引入一些相应的假设条件来简化其计算。本文对竖冷窑壳体采用三维实体单元模拟，并对板件应力分析做了如下假定：（1（钢构件采用理想弹性本构关系，并在弹性范围内工作，且遵循Von Mises屈服准则；（2（不考虑钢材施工后由于徐变、收缩、温度和初应力的影响， 认为焊缝质量满足AWS最低标准，不考 虑焊缝质量及残余应力的影响。用于计算的有限元模型必须对实际结构作可行性简化，包括结构形式、构件间的连接以及位移边界条件和力边界条件的简化。在实际工程中，结构的边界条件较复杂，对竖 冷窑壳体结构支撑 边界条件进行分析，由于壳体三角形支座刚度较大即认为支座壳体的约束为固定端，相应位置选择全约束的边界条件。钢柱牛腿位置对上部壳体支座端部约束其平动，放松其转动，相 应位置 选择部分约束的边界条件， 板7件之间采用刚性耦合连接。在ABAQUS/CAE 里建立 竖冷窑钢结构壳体三维有限元模型，如图3所示。图3 壳体三维有限元模型单元网格划分是有限元建模的重点，它涉及知识较多，工作量也较大，合理的网格划分往往在能保证计算精度基础上，又能节省计算时间、储存空间，降低建模的 难度；因为网格的数量、疏密程度、质量、布局等能影响计算结果，所以是网格划分的重点。理论上认为，单元的尺寸越小计算结果会越好，但如果尺寸太小，计算花费时间会更大。对于静力分析，在仅对结构变形进行研究时，可以适当地减小 单元数，而若要求出应力，则应减小单元的尺寸，使 结构网格密一些。因为有限元应力分析主要是以位移为基础，力与位移呈一阶导数关系，所以一般情况下，当网格划分 单元小到一定程度后，再怎么减小单元尺寸有限元软件计算的结果相差甚微，因此选取合理的网格尺寸，保证精度与时间对管节点批量参数化分析很重要。另外，在特定的理 论范围内，过小的单元尺寸会导致失真，影响 计算结果。对竖冷窑壳体三维有限元模型8进行网格划分如图4所示，采用三角形单元对结构锥形曲面进行划分，分析精度相对较高。采用四边形单元对部分规则平面进行划分，分析计算较为简单。图4 壳体三维有限元模型划分网格2.3 壳体表面压力计算筒仓起控制作用的永久荷载主要是筒仓的自重，起控制作用的可变荷载主要是贮料。故本文竖冷窑壳体结 构按承载能力极限状态的荷载效应组合。计算贮料水平地震作用时，由于贮料是散体，地震时颗粒之间及颗 粒与壳壁的运动和摩擦，能消耗一部分能量，使地震作用减弱。但由于此种能量的损 失是受贮料的物理特性、地震烈度、贮仓 几何形状的多种因素的影响，目前不能就各种因素得出定量的分析，因此，为了设计上方便采用折减贮料质量的方法，以降低地震作用效应，本文综合考虑地震作用的影响及有限元模拟地震作用的复杂性并参考国内外资料将贮料及自重乘以地震系数，此方法虽然不一定能代表地震的真正作用机理，但在某种程度上与实验9室相对吻合的。竖冷窑结构虽然高大，但按其高径比远没有烟囱等高耸建筑物或构筑物大，故其破坏仍为第一振型，竖向地震作用破坏不是主要的，可不 进行计算。散料特性参数如重力密度、内摩擦角及贮料与壳壁之间的摩擦系数等对计算贮料的压力有很大影响。然而，影响散料特性参数的因素很多，即使同一种散料，由于颗粒级配、 颗粒形状、含水量、装卸条件、外界温度和湿度以及贮存时间长短等条件的不同，贮料的无聊特性参数就会有很大差异，因此本文在选用参数时经过实验并考虑各种因素变化综合分析确定。关于贮料压力的计算，国内外学者进行了长期和大量的研究工作，早在1895年，德国学者杨森（Janssen）提出，取筒 仓内贮料的微厚元静力平衡条件，求的 仓内贮料作用仓壁上的压力。杨的假定是在任一横截面上料层的垂直压力是均匀分布的，而实际上由于贮料与仓壁之间存在摩擦力，垂直压力并非均匀分布，本文采用的仓筒壳体内壁压力计算公式参考杨森公式作为计