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，浪費水資源，污染環(huán)境的缺點。因此，干式?；酂峄厥粘蔀榉浅＞哂邪l(fā)展前景的技術。其中，正處于研究中的離心?；酂峄厥?，是通過離心?；O備將液態(tài)高溫熔融爐渣顆粒?；?/p>

2、成細小的顆粒，顆粒在下落過程中與逆流而上的空氣就行對流換熱，同時與周圍環(huán)境進行輻射換熱，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。同時有望得到高品質(zhì)的爐渣，作為水泥的替代物應用于建筑行業(yè)，克服了傳統(tǒng)水淬法處理的缺點。
　　研究空氣冷卻高溫熔渣顆粒的相變換熱特性對余熱回收裝置的設計有非常重要的指導意義。高爐渣顆粒溫度高，給實驗操作帶來很大的難度。且高爐渣的空氣冷卻凝固是一個典型的相變傳熱過程，其特點是求解域中存在一個位置

3、隨時間變化的固-液相界面。這類問題在數(shù)學上是一個強非線性問題，且兩相界面的位置有待確定，界面能量守恒條件為非線性，再加上復雜的邊界換熱條件，使得這一問題的求解相當困難。
　　本文針對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-液相界面的移動規(guī)律，空氣速度場和溫度場分布，并討論了邊界條件，導熱系數(shù)對相變換熱特性的影響。在此基礎上研究了顆粒尺寸，空氣流速，空氣初溫，以及顆粒初溫對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粒的變導熱系數(shù)使得其冷卻凝固所需時間延長，而高溫所導致的輻射換熱則極

5、大地加快了冷卻速率，模擬結(jié)果更符合實際情況；高爐渣顆粒直徑越大，相界面移動速度越慢，冷卻凝固時間顯著增加。冷卻空氣流速越高、溫度越低，相界面移動速度越快，冷卻凝固時間越短。但由于高爐渣顆粒初溫較高，完成凝固時顆粒溫度仍然很高。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，增大空氣流速對于熔渣顆粒凝固以后的再冷卻過程影響將會明顯增加。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間明顯延長。熔渣顆粒的變導熱系數(shù)使得其冷卻凝固所需時間縮短，同時由于熔渣初溫較高，加入輻射模型，模擬結(jié)果更符合實際情況；高爐渣顆粒直徑越大，相界面移動速度越慢，冷卻凝固時間顯著增加。冷卻空氣流速越高、溫度越低，相界面移動速度越快，冷卻凝固時間越短。但由于高爐渣顆粒初溫較

7、高，輻射換熱強，空氣流速和溫度影響不顯著。
　?、坩槍晤w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，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不均勻，導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%凝固耗時較長。
　?、苋墼w粒直徑是對相變過程影響很大，熔渣顆粒直徑越小，完全凝固時間越短；而且完全凝固時間隨著直徑增加，時間增加幅度變