文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123531
环冷机内烧结矿冷却过程流动换热
数值研究资助项目:国家重点基础研究发展计划资助(973项目:2012CB720402)
刘衍,王劲,袁雪,杨剑,王秋旺*
(西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室,西安 710049)
(Tel: 029-82668720, E-mail: ******@.)
摘要:本文通过数值模拟方法对环冷机内烧结矿冷却过程进行了研究,通过建立环冷机内流动换热二维非稳态模型,得到了环冷机内流体流动的压力场、速度场和温度场;并针对多孔介质孔隙率分布不均匀现象展开分析,结果表明孔隙率分布不均匀会导致烧结矿冷却过程温度不均匀。这对于改善烧结矿出口处温度均匀性具有参考意义,对于实际工业应用中环冷机操作参数的优化和改造具有重要意义。
关键词:环冷机;多孔介质模型;料层偏析;数值模拟
0 前言
环冷机广泛应用于钢铁生产过程中的烧结和球团工艺中,主要功能是对高温烧结矿和球团矿进行冷却。环式冷却机相比带式冷却机由于其占地面积相对小、冷却功效好等优点已经得到了广泛应用。鼓风环式冷却机是目前国内外采用最为广泛的一种烧结冷却设备,其本质是错流气-固换热移动床[1-3]。鼓风式环冷机的物理过程[4]比较复杂,简单可以这样描述:最下方是鼓风机及其风道,风道上方布置了篦条,高温烧结矿位于篦条上面,烧结矿的厚度根据环冷机的实际运行情况在800-1600mm,烧结矿上方是气体收集罩,用来收集可回收废气。被加热的气体主要有两种利用方式[5]:动力回收以及直接热回收。对高温段余热首选动力回收,即通入余热锅炉生产高品质蒸汽并发电;对中低温段余热进行直接热回收,即用于预热或干燥烧结原料和作为点火炉助燃空气,为烧结生产提供热风等。烧结矿通过装料装置添加到环冷机上,环冷机的台车以一定的角速度运动,可通过调整角速度控制冷却效果,最终环冷机通过卸料装置卸下冷却后的烧结矿。烧结矿利用自身重力下落到环冷机时,由于科里奥利力(惯性离心力)的作用,形成环冷机内侧颗粒粒径较大而外侧粒径较小,进而内侧孔隙率大而外侧孔隙率较小的现象[6]。如果此时冷却气流均匀,则烧结矿冷却过程中温度分布一定会出现不均匀的现象,从而有可能使输送带由于受热不均而变形。台湾Jik-chang Leong应用CFD方法建立了基于FLUENT多孔介质模型的环冷机物理模型,研究了不同孔隙率分布下的冷却过程[6];罗远秋等设计了烧结矿冷却过程实验,并通过相应数值计算与实验结果进行对比,希望找到料层厚度和冷却风量与热风温度之间的关系,旨在提高冷却废气的温度[7];金凯文利用风洞实验测量了烧结矿的渗透率等参数,并利用田口方法研究了不同参数对冷却后烧结矿温度均匀性的影响[8]。
在上面的研究中物性参数是被当作常数的,并且孔隙率随着空间位置变化的用户自定义函数过于简单,与实际情况相差较远,因此数值模拟结果与实际情况还有较大的差距,可以有较大的改进。本文建立了环冷机内流动换热二维非稳态模型,得到了环冷机内的压力场、速度场和温度场;通过用户自定义函数(UDF)研究了料层偏析条件下烧结矿冷却过程,这可为工业实际应用提供参考。
1 环冷机内烧结矿冷却过程的模拟
图1为三维环冷机几何结构示意