高温熔融高炉渣颗粒相变冷却换热特性的数值研究

发布时间：2020-11-15 12:42

　　由于能源紧缺和环境问题的突出,发展利用新能源和降低能耗行业的能源消耗已成为必然。钢铁行业是我国大能耗企业之一,能耗占全国总能耗的10-15%。高炉渣作为钢铁行业副产品,产量高,温度在1450℃-1650℃,可回收利用价值大。而现在炉渣主要采用水淬法处理,具有无法回收利用炉渣热量,浪费水资源,污染环境的缺点。因此,干式粒化余热回收成为非常具有发展前景的技术。其中,正处于研究中的离心粒化余热回收,是通过离心粒化设备将液态高温熔融炉渣颗粒粒化成细小的颗粒,颗粒在下落过程中与逆流而上的空气就行对流换热,同时与周围环境进行辐射换热,自身不断被冷却并发生凝固。空气温度上升并能被后续利用。同时有望得到高品质的炉渣,作为水泥的替代物应用于建筑行业,克服了传统水淬法处理的缺点。研究空气冷却高温熔渣颗粒的相变换热特性对余热回收装置的设计有非常重要的指导意义。高炉渣颗粒温度高,给实验操作带来很大的难度。且高炉渣的空气冷却凝固是一个典型的相变传热过程,其特点是求解域中存在一个位置随时间变化的固-液相界面。这类问题在数学上是一个强非线性问题,且两相界面的位置有待确定,界面能量守恒条件为非线性,再加上复杂的边界换热条件,使得这一问题的求解相当困难。本文针对粒化后熔渣颗粒的空气冷却相变换热问题,采用温度法建立了高温熔融高炉渣颗粒在相变温度恒定时相变换热的数值模型,采用焓法建立了考虑相变温度带时高炉渣颗粒的相变换热数值模型。并通过简化。得到了一维情况下高炉渣颗粒的相变换热特性。研究了一维情况下高炉渣颗粒相变换热特性。同时利用凝固融化模型和VOF方法耦合,建立了单颗粒高炉渣颗粒的二维数值模型。研究了熔渣颗粒相变换热特性,得到了颗粒内部温度分布,固-液相界面的移动规律,空气速度场和温度场分布,并讨论了边界条件,导热系数对相变换热特性的影响。在此基础上研究了颗粒尺寸,空气流速,空气初温,以及颗粒初温对单颗粒高炉渣空气冷却相变换热特性的影响。主要研究成果如下:(1)熔渣颗粒的变导热系数使得其冷却凝固所需时间延长,而高温所导致的辐射换热则极大地加快了冷却速率,模拟结果更符合实际情况;高炉渣颗粒直径越大,相界面移动速度越慢,冷却凝固时间显著增加。冷却空气流速越高、温度越低,相界面移动速度越快,冷却凝固时间越短。但由于高炉渣颗粒初温较高,完成凝固时颗粒温度仍然很高。在熔渣颗粒的凝固阶段,辐射换热占总换热平均比例是50%-60%,熔渣颗粒温度降低,辐射换热占比不断减小。因此,增大空气流速对于熔渣颗粒凝固以后的再冷却过程影响将会明显增加。在冷却前期,空气流速和温度影响不显著。(2)与相变温度恒定情况相比,熔渣颗粒相变过程中相变温度带的加入,使得熔渣颗粒相变过程中具有两相共存的区域。小球颗粒内部平均降温速率明显降低,使得小球颗粒完成凝固的时间明显延长。熔渣颗粒的变导热系数使得其冷却凝固所需时间缩短,同时由于熔渣初温较高,加入辐射模型,模拟结果更符合实际情况;高炉渣颗粒直径越大,相界面移动速度越慢,冷却凝固时间显著增加。冷却空气流速越高、温度越低,相界面移动速度越快,冷却凝固时间越短。但由于高炉渣颗粒初温较高,辐射换热强,空气流速和温度影响不显著。(3)针对单颗粒熔渣,空气的扰流冷却作用能使颗粒表面快速冷却成型,但是颗粒的凝固过程不是逐层推进,而是从外向里不均匀的发生凝固。这是由于颗粒表面换热流场不均匀,导致颗粒表面换热情况不均匀。熔渣颗粒在凝固到大约80%及以后,固相增长率较小,剩下20%凝固耗时较长。(4)熔渣颗粒直径是对相变过程影响很大,熔渣颗粒直径越小,完全凝固时间越短;而且完全凝固时间随着直径增加,时间增加幅度变大。空气流速越大,熔渣颗粒表面换热越强,凝固时间缩短。空气流速对熔渣内部固相份额的增加有重要的影响,风速越大,颗粒外表面越快凝固成型。有利于避免粒化后颗粒相互之间以及与炉膛的粘接。这将对颗粒凝固完成后的物相品质产生重要影响。但是由于熔渣颗粒在整个凝固过程中温度均较高,与周围环境的辐射换热强,因此增大风速,强化对流换热对颗粒在凝固阶段总的换热增强不明显,对整个颗粒完成凝固的时间影响不显著。综上述,对于冷却气流风速的选择应该综合考虑。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF534
【部分图文】：

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重庆大学硕士学位论文鼓法（熔渣薄片状固化工艺）0 年代，日本钢管(NKK)公司开发了冷却转鼓工艺，[4-7]，其流程示意见图 1.1[8]。液态高炉渣从滚筒的的旋转滚动下成为薄片状。薄片状熔渣在冷却流体却流体吸收热量，经过换热器冷却以后，重新回到发电。

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图 1.2 住友金属机械搅拌法Fig.1.2 Schematic of mechanical agitation processec 工艺（利用热应力）德国设计开发，见图 1.3[2]。粒化器是充填了介质(细渣的凝固温度,因此熔渣在热应力作用下破碎粒化器换热冷却，再通过筛分，得到 0～3 mm 和> 3 别进入渣仓 1 和 2，细渣粒返回用于循环操作。化器的冷却空气和流化床换热器得到回收。流化床节，一般为 500-800℃

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