立式燒結(jié)礦余熱回收裝置內(nèi)的氣體流動.pdf

1、燒結(jié)工序能耗占鋼鐵工業(yè)總能耗的10％至15％，僅次于煉鐵工序成為鋼鐵工業(yè)第二大耗能用戶。燒結(jié)余熱資源包括燒結(jié)過程的廢氣顯熱和產(chǎn)品顯熱，分別占燒結(jié)工序總熱量收入的20％和45％。現(xiàn)有環(huán)冷機(jī)主要目的是冷卻燒結(jié)礦，而非進(jìn)行余熱回收，所以風(fēng)量過大、料層過薄、冷卻過快、漏風(fēng)嚴(yán)重等弊端不可避免，無法滿足高效換熱和取熱的要求。為了達(dá)到既冷卻燒結(jié)礦又回收余熱的雙重目的，對環(huán)冷機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱工操作應(yīng)進(jìn)行徹底改造。受干法熄焦技術(shù)啟發(fā)，凡熾熱的燒結(jié)礦、球團(tuán)

2、礦，都有可能像干熄焦一樣用散料床氣固強(qiáng)化熱交換的方式進(jìn)行強(qiáng)化換熱，即用立式散料床氣固熱交換裝置，取代現(xiàn)有的臥式燒結(jié)礦環(huán)冷機(jī)，在冷卻燒結(jié)礦的同時，最大限度回收燒結(jié)礦顯熱。立式燒結(jié)礦余熱回收裝置內(nèi)的氣體流動研究是散料床氣固強(qiáng)化換熱的基礎(chǔ)，因此，本文的研究具有重要意義。在對目前燒結(jié)礦冷卻技術(shù)和氣固移動床研究分析的基礎(chǔ)上，本文主要開展了如下研究工作:
　　(1)燒結(jié)礦性能及粒級分布實驗
　　通過燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓實驗分析了燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)

3、和抗磨指數(shù)，通過燒結(jié)礦粒級分布實驗得到了燒結(jié)礦的破碎性能及各粒級分布比例，在此基礎(chǔ)上，通過計算得到了各粒徑范圍下的燒結(jié)礦顆粒粉化率，分析了燒結(jié)礦散料層透氣性的影響因素。結(jié)果表明:燒結(jié)礦顆粒越大，則越容易破碎，破碎后的粉化率越大;料層的空隙率越大，則料層內(nèi)燒結(jié)礦的透氣性越好。
　　(2)裝置內(nèi)燒結(jié)礦散料層的分布規(guī)律
　　以空隙率作為裝置內(nèi)散料層分布規(guī)律的主要指標(biāo)，采用斷面圖像分析法測試了燒結(jié)礦在裝置內(nèi)的料層空隙率沿著高度方向的

4、分布規(guī)律，采用環(huán)形區(qū)域劃分法計算得到了料層沿著徑向的空隙率分布規(guī)律，并采用多項式擬合得到了空隙率分布的表達(dá)式，結(jié)果表明:在實驗條件下，燒結(jié)礦顆粒平均直徑越大，則其對應(yīng)的料層空隙率越大;當(dāng)高度小于0.5 m時，料層空隙率隨著高度的增加而增大，當(dāng)高度大于0.5 m時，高度方向的料層空隙率基本保持不變;料層的徑向空隙率分布中，距離裝置的中心區(qū)域越遠(yuǎn)，則料層空隙率越大，在壁面附近空隙率最大，隨著裝置床徑比的增大，邊緣效應(yīng)對于徑向空隙率的影響減小

5、，當(dāng)床徑比D/dp＞30時邊緣效應(yīng)可忽略不計。在立式燒結(jié)礦余熱回收裝置設(shè)計中，應(yīng)增大裝置內(nèi)的燒結(jié)礦顆粒尺寸，以提高料層的空隙率，從而改善裝置內(nèi)燒結(jié)礦的透氣性。
　　(3)氣體流經(jīng)散料層時的壓力損失
　　基于燒結(jié)礦散料層內(nèi)氣體壓力測試的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)流體的“自?；碧匦?，采用無量綱分析方法，并通過非線性擬合得到了歐拉數(shù)Eu與雷諾數(shù)Re之間的關(guān)聯(lián)式，對關(guān)系式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理后得到了不同當(dāng)量直徑下的裝置內(nèi)氣體壓力損失計算公式。將本文得

6、到的壓力損失計算公式分別與Ergun公式的計算結(jié)果、Yang等人的實驗公式結(jié)果及數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，討論了氣體流經(jīng)散料層時的壓力損失公式的可靠性，并在此基礎(chǔ)上給出了降低料層內(nèi)氣體壓力損失的兩種辦法:一是通過增大裝置內(nèi)燒結(jié)礦顆粒的當(dāng)量直徑以減小單位料層的壓力損失，二是通過降低裝置內(nèi)冷卻空氣的表觀流速以降低單位料層的壓力損失，而在氣固水當(dāng)量相等的條件下，可采用在設(shè)計過程中增大裝置直徑的辦法來降低冷卻空氣的表觀流速。
　　(4

7、)立式燒結(jié)礦余熱回收裝置的設(shè)計及氣體流動分析方法
　　以燒結(jié)礦散料層的空隙率分布規(guī)律和散料層內(nèi)的氣體壓力損失為基礎(chǔ)，在燒結(jié)礦和冷卻空氣的氣固水當(dāng)量相等的條件下，結(jié)合對流傳熱、導(dǎo)熱和熱平衡方程，對立式燒結(jié)礦余熱回收裝置進(jìn)行了設(shè)計計算，并在此基礎(chǔ)上采用C語言開發(fā)了一套設(shè)計計算程序，用來替代余熱回收裝置設(shè)計過程的大量人工計算;以一臺360m2燒結(jié)機(jī)為例，初步設(shè)計了對應(yīng)的立式燒結(jié)礦余熱回收裝置。通過簡化立式燒結(jié)礦余熱回收裝置的模型，采用U

8、DF編寫的程序作為多孔介質(zhì)內(nèi)空隙率及其阻力系數(shù)的分布規(guī)律，以此代替燒結(jié)礦料層的真實分布狀態(tài)，從數(shù)值分析的角度建立了裝置內(nèi)氣體流動的控制方程，并通過離散化、迭代求解和結(jié)果分析，指出了立式燒結(jié)礦余熱回收裝置內(nèi)冷卻空氣氣體流動分析中的側(cè)重點:即冷卻空氣的出口溫度、壓力分布規(guī)律和氣體的流線圖分布。冷卻空氣出口溫度可反映裝置的余熱回收品質(zhì);冷卻空氣的壓力損失可反應(yīng)裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;冷卻空氣的流線圖表明了氣流分布的均勻性，進(jìn)而可知燒結(jié)礦冷卻的均勻性

9、，可反映余熱回收裝置的可靠性。
　　(5)立式燒結(jié)礦余熱回收裝置內(nèi)氣體流動過程分析
　　通過數(shù)值模擬對兩種不同設(shè)計方案的立式燒結(jié)礦余熱回收裝置內(nèi)的氣體流動規(guī)律進(jìn)行了對比分析，確立了一種比較合適的立式燒結(jié)礦余熱回收裝置，并針對此裝置采用了數(shù)值模擬和設(shè)計計算程序相結(jié)合的方法，討論了各個設(shè)計參數(shù)對裝置內(nèi)氣體流動的影響。保持料層高度不變，通過改變直徑可觀察氣流分布均勻性的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高徑比在1.2～1.6時既能使得氣流分布均勻性

10、較好，且能保證氣體壓力損失不至于過大;對比了中心供氣、周邊供氣及中心和周邊供氣下的氣流分布及壓力損失，并分析了中心和周邊供氣時的供氣比例對壓力損失的影響;通過降低冷卻空氣表觀流速可以降低裝置內(nèi)壓力損失和燒結(jié)礦移動速度，進(jìn)而降低燒結(jié)礦的粉化率;對比了裝置內(nèi)裝有當(dāng)量直徑分別為15mm、25mm及35mm時的氣流均勻性和壓力損失，給出了采用較大顆粒(35 mm)的建議，并且明確了在裝置內(nèi)的數(shù)值模擬中采用UDF編程的方式才能比較真實地反映料層的

11、分布規(guī)律及其對氣體流動的影響;針對直徑為4m、4.5 m及5m三種情況下的裝置，分別改變其冷卻空氣入口溫度的設(shè)計值，采用基于C語言的設(shè)計計算程序得到了不同入口溫度下的料層高度、壓力損失及高徑比等參數(shù)，在滿足氣流分布均勻的條件下，選擇了使裝置內(nèi)氣體壓力損失小且冷卻空氣出口溫度高的一套設(shè)計參數(shù)作為立式燒結(jié)礦余熱回收裝置的最終參數(shù):裝置直徑設(shè)計為5 m、料層高度為6.2 m，冷卻空氣入口溫度設(shè)計為75℃，冷卻空氣表觀流速為5.3 m/s，燒結(jié)