高溫熔融高爐渣顆粒相變冷卻換熱特性的數(shù)值研究.pdf

1、由于能源緊缺和環(huán)境問題的突出，發(fā)展利用新能源和降低能耗行業(yè)的能源消耗已成為必然。鋼鐵行業(yè)是我國大能耗企業(yè)之一，能耗占全國總能耗的10-15％。高爐渣作為鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)品，產(chǎn)量高，溫度在1450℃-1650℃，可回收利用價(jià)值大。而現(xiàn)在爐渣主要采用水淬法處理，具有無法回收利用爐渣熱量，浪費(fèi)水資源，污染環(huán)境的缺點(diǎn)。因此，干式?；酂峄厥粘蔀榉浅＞哂邪l(fā)展前景的技術(shù)。其中，正處于研究中的離心?；酂峄厥眨峭ㄟ^離心粒化設(shè)備將液態(tài)高溫熔融爐渣顆粒?；?/p>

2、成細(xì)小的顆粒，顆粒在下落過程中與逆流而上的空氣就行對(duì)流換熱，同時(shí)與周圍環(huán)境進(jìn)行輻射換熱，自身不斷被冷卻并發(fā)生凝固?？諝鉁囟壬仙⒛鼙缓罄m(xù)利用。同時(shí)有望得到高品質(zhì)的爐渣，作為水泥的替代物應(yīng)用于建筑行業(yè)，克服了傳統(tǒng)水淬法處理的缺點(diǎn)。
　　研究空氣冷卻高溫熔渣顆粒的相變換熱特性對(duì)余熱回收裝置的設(shè)計(jì)有非常重要的指導(dǎo)意義。高爐渣顆粒溫度高，給實(shí)驗(yàn)操作帶來很大的難度。且高爐渣的空氣冷卻凝固是一個(gè)典型的相變傳熱過程，其特點(diǎn)是求解域中存在一個(gè)位置

3、隨時(shí)間變化的固-液相界面。這類問題在數(shù)學(xué)上是一個(gè)強(qiáng)非線性問題，且兩相界面的位置有待確定，界面能量守恒條件為非線性，再加上復(fù)雜的邊界換熱條件，使得這一問題的求解相當(dāng)困難。
　　本文針對(duì)粒化后熔渣顆粒的空氣冷卻相變換熱問題，采用溫度法建立了高溫熔融高爐渣顆粒在相變溫度恒定時(shí)相變換熱的數(shù)值模型，采用焓法建立了考慮相變溫度帶時(shí)高爐渣顆粒的相變換熱數(shù)值模型。并通過簡化。得到了一維情況下高爐渣顆粒的相變換熱特性。研究了一維情況下高爐渣顆粒相變

4、換熱特性。同時(shí)利用凝固融化模型和VOF方法耦合，建立了單顆粒高爐渣顆粒的二維數(shù)值模型。研究了熔渣顆粒相變換熱特性，得到了顆粒內(nèi)部溫度分布，固-液相界面的移動(dòng)規(guī)律，空氣速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，并討論了邊界條件，導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)相變換熱特性的影響。在此基礎(chǔ)上研究了顆粒尺寸，空氣流速，空氣初溫，以及顆粒初溫對(duì)單顆粒高爐渣空氣冷卻相變換熱特性的影響。主要研究成果如下：
　?、偃墼w粒的變導(dǎo)熱系數(shù)使得其冷卻凝固所需時(shí)間延長，而高溫所導(dǎo)致的輻射換熱則極

5、大地加快了冷卻速率，模擬結(jié)果更符合實(shí)際情況；高爐渣顆粒直徑越大，相界面移動(dòng)速度越慢，冷卻凝固時(shí)間顯著增加。冷卻空氣流速越高、溫度越低，相界面移動(dòng)速度越快，冷卻凝固時(shí)間越短。但由于高爐渣顆粒初溫較高，完成凝固時(shí)顆粒溫度仍然很高。在熔渣顆粒的凝固階段，輻射換熱占總換熱平均比例是50%-60%，熔渣顆粒溫度降低，輻射換熱占比不斷減小。因此，增大空氣流速對(duì)于熔渣顆粒凝固以后的再冷卻過程影響將會(huì)明顯增加。在冷卻前期，空氣流速和溫度影響不顯著。

6、r>　?、谂c相變溫度恒定情況相比，熔渣顆粒相變過程中相變溫度帶的加入，使得熔渣顆粒相變過程中具有兩相共存的區(qū)域。小球顆粒內(nèi)部平均降溫速率明顯降低，使得小球顆粒完成凝固的時(shí)間明顯延長。熔渣顆粒的變導(dǎo)熱系數(shù)使得其冷卻凝固所需時(shí)間縮短，同時(shí)由于熔渣初溫較高，加入輻射模型，模擬結(jié)果更符合實(shí)際情況；高爐渣顆粒直徑越大，相界面移動(dòng)速度越慢，冷卻凝固時(shí)間顯著增加。冷卻空氣流速越高、溫度越低，相界面移動(dòng)速度越快，冷卻凝固時(shí)間越短。但由于高爐渣顆粒初溫較

7、高，輻射換熱強(qiáng)，空氣流速和溫度影響不顯著。
　?、坩槍?duì)單顆粒熔渣，空氣的擾流冷卻作用能使顆粒表面快速冷卻成型，但是顆粒的凝固過程不是逐層推進(jìn)，而是從外向里不均勻的發(fā)生凝固。這是由于顆粒表面換熱流場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致顆粒表面換熱情況不均勻。熔渣顆粒在凝固到大約80%及以后，固相增長率較小，剩下20%凝固耗時(shí)較長。
　?、苋墼w粒直徑是對(duì)相變過程影響很大，熔渣顆粒直徑越小，完全凝固時(shí)間越短；而且完全凝固時(shí)間隨著直徑增加，時(shí)間增加幅度變