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,干式粒化余熱回收成為非常具有發(fā)展前景的技術(shù)。其中,正處于研究中的離心粒化余熱回收,是通過離心粒化設(shè)備將液態(tài)高溫熔融爐渣顆粒粒化成細小的顆粒,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。空氣溫度上升并能被后續(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(yīng)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(shè)計有非常重要的指導(dǎo)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隨時間變化的固-液相界面。這類問題在數(shù)學(xué)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(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(dǎo)熱系數(shù)對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:(1)熔渣顆粒的變導(dǎo)熱系數(shù)使得其冷卻凝固所需時間延長,而高溫所導(dǎo)致的輻射換熱則極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。(2)與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(dǎo)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高,輻射換熱強,空氣流速和溫度影響不顯著。(3)針對單顆粒熔渣,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,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(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%凝固耗時較長。(4)熔渣顆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,時間增加幅度變大。空氣流速越大,熔渣顆粒表面換熱越強,凝固時間縮短。空氣流速對熔渣內(nèi)部固相份額的增加有重要的影響,風(fēng)速越大,顆粒外表面越快凝固成型。有利于避免粒化后顆粒相互之間以及與爐膛的粘接。這將對顆粒凝固完成后的物相品質(zhì)產(chǎn)生重要影響。但是由于熔渣顆粒在整個凝固過程中溫度均較高,與周圍環(huán)境的輻射換熱強,因此增大風(fēng)速,強化對流換熱對顆粒在凝固階段總的換熱增強不明顯,對整個顆粒完成凝固的時間影響不顯著。綜上述,對于冷卻氣流風(fēng)速的選擇應(yīng)該綜合考慮。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TF534
【部分圖文】：

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文鼓法（熔渣薄片狀固化工藝）0 年代，日本鋼管(NKK)公司開發(fā)了冷卻轉(zhuǎn)鼓工藝，[4-7]，其流程示意見圖 1.1[8]。液態(tài)高爐渣從滾筒的的旋轉(zhuǎn)滾動下成為薄片狀。薄片狀熔渣在冷卻流體卻流體吸收熱量，經(jīng)過換熱器冷卻以后，重新回到發(fā)電。

圖 1.2 住友金屬機械攪拌法Fig.1.2 Schematic of mechanical agitation processec 工藝（利用熱應(yīng)力）德國設(shè)計開發(fā)，見圖 1.3[2]。粒化器是充填了介質(zhì)(細渣的凝固溫度,因此熔渣在熱應(yīng)力作用下破碎粒化器換熱冷卻，再通過篩分，得到 0～3 mm 和> 3 別進入渣倉 1 和 2，細渣粒返回用于循環(huán)操作。化器的冷卻空氣和流化床換熱器得到回收。流化床節(jié)，一般為 500-800℃

圖 1.2 住友金屬機械攪拌法Fig.1.2 Schematic of mechanical agitation processec 工藝（利用熱應(yīng)力）德國設(shè)計開發(fā)，見圖 1.3[2]。粒化器是充填了介質(zhì)(細渣的凝固溫度,因此熔渣在熱應(yīng)力作用下破碎粒化器換熱冷卻，再通過篩分，得到 0～3 mm 和> 3 別進入渣倉 1 和 2，細渣粒返回用于循環(huán)操作。化器的冷卻空氣和流化床換熱器得到回收。流化床節(jié)，一般為 500-800℃
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 劉小英;朱恂;廖強;王宏;;高溫熔融高爐渣顆粒相變冷卻特性分析[J];化工學(xué)報;2014年S1期

2 邢宏偉;王曉娣;龍躍;張玉柱;;粒化鋼渣相變傳熱過程數(shù)值模擬[J];鋼鐵釩鈦;2010年01期

3 戴曉天;齊淵洪;張春霞;;熔融鋼鐵渣干式粒化和顯熱回收技術(shù)的進展[J];鋼鐵研究學(xué)報;2008年07期

4 徐永通;丁毅;蔡漳平;劉青;黃曄;葉樹峰;;高爐熔渣干式顯熱回收技術(shù)研究進展[J];中國冶金;2007年09期

本文編號：2884774