立式燒結礦余熱回收裝置內(nèi)的氣體流動.pdf

1、燒結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。燒結余熱資源包括燒結過程的廢氣顯熱和產(chǎn)品顯熱，分別占燒結工序總熱量收入的20％和45％?，F(xiàn)有環(huán)冷機主要目的是冷卻燒結礦，而非進行余熱回收，所以風量過大、料層過薄、冷卻過快、漏風嚴重等弊端不可避免，無法滿足高效換熱和取熱的要求。為了達到既冷卻燒結礦又回收余熱的雙重目的，對環(huán)冷機的結構設計與熱工操作應進行徹底改造。受干法熄焦技術啟發(fā)，凡熾熱的燒結礦、球團

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

3、和抗磨指數(shù)，通過燒結礦粒級分布實驗得到了燒結礦的破碎性能及各粒級分布比例，在此基礎上，通過計算得到了各粒徑范圍下的燒結礦顆粒粉化率，分析了燒結礦散料層透氣性的影響因素。結果表明:燒結礦顆粒越大，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)燒結礦的透氣性越好。
　　(2)裝置內(nèi)燒結礦散料層的分布規(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，采用斷面圖像分析法測試了燒結礦在裝置內(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式，結果表明:在實驗條件下，燒結礦顆粒平均直徑越大，則其對應的料層空隙率越大;當高度小于0.5 m時，料層空隙率隨著高度的增加而增大，當高度大于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，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，邊緣效應對于徑向空隙率的影響減小

5、，當床徑比D/dp＞30時邊緣效應可忽略不計。在立式燒結礦余熱回收裝置設計中，應增大裝置內(nèi)的燒結礦顆粒尺寸，以提高料層的空隙率，從而改善裝置內(nèi)燒結礦的透氣性。
　　(3)氣體流經(jīng)散料層時的壓力損失
　　基于燒結礦散料層內(nèi)氣體壓力測試的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)流體的“自?；碧匦裕捎脽o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之間的關聯(lián)式，對關系式進行數(shù)學處理后得到了不同當量直徑下的裝置內(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公式的計算結果、Yang等人的實驗公式結果及數(shù)值模擬的結果進行了對比分析，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)燒結礦顆粒的當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，而在氣固水當量相等的條件下，可采用在設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、)立式燒結礦余熱回收裝置的設計及氣體流動分析方法
　　以燒結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，在燒結礦和冷卻空氣的氣固水當量相等的條件下，結合對流傳熱、導熱和熱平衡方程，對立式燒結礦余熱回收裝置進行了設計計算，并在此基礎上采用C語言開發(fā)了一套設計計算程序，用來替代余熱回收裝置設計過程的大量人工計算;以一臺360m2燒結機為例，初步設計了對應的立式燒結礦余熱回收裝置。通過簡化立式燒結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內(nèi)空隙率及其阻力系數(shù)的分布規(guī)律，以此代替燒結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、迭代求解和結果分析，指出了立式燒結礦余熱回收裝置內(nèi)冷卻空氣氣體流動分析中的側重點: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;冷卻空氣的壓力損失可反應裝置運行的經(jīng)濟性;冷卻空氣的流線圖表明了氣流分布的均勻性，進而可知燒結礦冷卻的均勻性

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計方案的立式燒結礦余熱回收裝置內(nèi)的氣體流動規(guī)律進行了對比分析，確立了一種比較合適的立式燒結礦余熱回收裝置，并針對此裝置采用了數(shù)值模擬和設計計算程序相結合的方法，討論了各個設計參數(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)壓力損失和燒結礦移動速度，進而降低燒結礦的粉化率;對比了裝置內(nèi)裝有當量直徑分別為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計值，采用基于C語言的設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計參數(shù)作為立式燒結礦余熱回收裝置的最終參數(shù):裝置直徑設計為5 m、料層高度為6.2 m，冷卻空氣入口溫度設計為75℃，冷卻空氣表觀流速為5.3 m/s，燒結