高温熔融高炉渣颗粒相变冷却换热毕业论文.docx

3 相变温度恒定时熔渣颗粒相变冷却换热的一维数值模拟高温熔融高炉渣颗粒相变冷却换热特性的数值研究摘 要由于能源紧缺和环境问题的突出，发展利用新能源和降低能耗行业的能源消耗已成为必然。钢铁行业是我国大能耗企业之一，能耗占全国总能耗的10-15%。 高炉渣作为钢铁行业副产品，产量高，温度在1450-1650，可回收利用价值大。而现在炉渣主要采用水淬法处理，具有无法回收利用炉渣热量，浪费水资源，污染环境的缺点。因此，干式粒化余热回收成为非常具有发展前景的技术。其中，正处于研究中的离心粒化余热回收，是通过离心粒化设备将液态高温熔融炉渣颗粒粒化成细小的颗粒，颗粒在下落过程中与逆流而上的空气就行对流换热，同时与周围环境进行辐射换热，自身不断被冷却并发生凝固。空气温度上升并能被后续利用。同时有望得到高品质的炉渣，作为水泥的替代物应用于建筑行业，克服了传统水淬法处理的缺点。研究空气冷却高温熔渣颗粒的相变换热特性对余热回收装置的设计有非常重要的指导意义。高炉渣颗粒温度高，给实验操作带来很大的难度。且高炉渣的空气冷却凝固是一个典型的相变传热过程，其特点是求解域中存在一个位置随时间变化的固-液相界面。这类问题在数学上是一个强非线性问题，且两相界面的位置有待确定，界面能量守恒条件为非线性，再加上复杂的边界换热条件，使得这一问题的求解相当困难。本文针对粒化后熔渣颗粒的空气冷却相变换热问题，采用温度法建立了高温熔融高炉渣颗粒在相变温度恒定时相变换热的数值模型，采用焓法建立了考虑相变温度带时高炉渣颗粒的相变换热数值模型。并通过简化。得到了一维情况下高炉渣颗粒的相变换热特性。研究了一维情况下高炉渣颗粒相变换热特性。同时利用凝固融化模型和vof方法耦合，建立了单颗粒高炉渣颗粒的二维数值模型。研究了熔渣颗粒相变换热热性，得到了颗粒内部温度分布，固-液相界面的移动规律，空气速度场的温度场分布，并讨论了边界条件，导热系数对相变换热特性的影响。在此基础上研究了颗粒尺寸，空气流速，空气初温，以及颗粒初温对单颗粒高炉渣空气冷却相变换热特性的影响。主要研究成果如下：熔渣颗粒的变导热系数使得其冷却凝固所需时间延长，而高温所导致的辐射换热则极大地加快了冷却速率，模拟结果更符合实际情况；高炉渣颗粒直径越大，相界面移动速度越慢，冷却凝固时间显著增加。冷却空气流速越高、温度越低，相界面移动速度越快，冷却凝固时间越短。但由于高炉渣颗粒初温较高，完成凝固时颗粒温度仍然很高。在熔渣颗粒的凝固阶段，辐射换热占总换热平均比例是50%-60%，熔渣颗粒温度降低，辐射换热占比不断减小。因此，增大空气流速对于熔渣颗粒凝固以后的再冷却过程影响将会明显增加。在冷却前期，空气流速和温度影响不显著。与相变温度恒定情况相比，熔渣颗粒相变过程中相变温度带的加入，使得熔渣颗粒相变过程中具有两相共存的区域。小球颗粒内部平均降温速率明显降低，使得小球颗粒完成凝固的时间明显边长。熔渣颗粒的变导热系数使得其冷却凝固所需时间缩短，同时由于熔渣初温较高，加入辐射模型，模拟结果更符合实际情况；高炉渣颗粒直径越大，相界面移动速度越慢，冷却凝固时间显著增加。冷却空气流速越高、温度越低，相界面移动速度越快，冷却凝固时间越短。但由于高炉渣颗粒初温较高，辐射换热强，空气流速和温度影响不显著。针对单颗粒熔渣，空气的扰流冷却作用能使颗粒表面快速冷却成型，但是颗粒的凝固过程不是逐层推进，而是从外向里不均与的发生凝固。这是由于颗粒表面换热流场不均匀，导致颗粒表面换热情况不均与。熔渣颗粒在凝固到大约80%及以后，固相增长率较小，剩下20%凝固耗时较长。熔渣颗粒直径是对相变过程影响很大，熔渣颗粒直径越小，完全凝固时间越短；而且完全凝固时间随着直径增加，时间增加幅度变大。空气流速越大, 熔渣颗粒表面换热越强, 凝固时间缩短。空气流速对熔渣内部固相份额的增加有重要的影响, 风速越大，颗粒外表面越快凝固成型。有利于避免粒化后颗粒相互之间以及与炉膛的粘接。这将对颗粒凝固完成后的物相品质产生重要影响。但是由于熔渣颗粒在整个凝固过程中温度均较高，与周围环境的辐射换热强，因此增大风速，强化对流换热对颗粒在凝固阶段总的换热增强不明显，对整个颗粒完成凝固的时间影响不显著。综上述，对于冷却气流风速的选择应该综合考虑。关键词：粒化高炉渣；相变传热；温度场；相界面；相变温度带；凝固融化模型；abstractdue to energy shortage and environmental issues, it becomes inevitable for the development and utilization of new energy and the reduction of energy consumption. the steel industry is one of the industries own large energy consumption, nearly 10%-15% of the country whole energy consumption. therefore to reduce steel industry energy consumption as a circular economy is significant. blast furnace slag is a by-product of the steel industry, owning a high temperature between 1450-1650, which has a large amount of waste heat with high recovery value. currently, quick cooling of the high temperature slag is realized by water quenching. however, distinct drawbacks are presented during the course of water quenching process, including a full waste of sensible and latent heat; discharge of harmful gases (such as hydrogen sulfide, sulfur dioxide and others) and huge waste of cooling water. thus making the integrated dry centrifugal granulation and air cooling heat recovery technology has been a new process and has a good application prospect. for the centrifugal granulation method, its technical process can be described as follows. high-temperature liquid slag is directly poured into a high-speed container (cup/disk/cylinder) and then the slag is radially projected outwards due to the role of centrifugal force and subsequently broken into droplets due to the role of surface tension. at the same time air is blown to cool the droplets. this process can perfectly realize the purpose of the recovery from the slag, including the effective heat recovery and the reuse of the slag. as for the technology, the most important parts are the granulation of the slag and the recovery of the high grade heat. but the high temperature of the slag increases the difficulty for the granulation and the heat recovery process and becomes the main restriction factor for the laboratory study. therefore, the heat recovery process still has not been experimently studied. as we know, the air cooling process of the slag is a very obvious phase change heat transfer problem. consequently, a moving interface separating two different phases develops and absorption or release of latent heat happens in the vicinity of this interface. mathematical modelling of such problems are always challenging task because of the complex boundary conditions, as well as varied thermal physical properties.theoretic analysis on transient air cooling and solidification behaviors of a spherical molten slag particle is performed. with temperature model, the solidification behaviors are analyzed when the phase change occurs at a constant temperature; with enthalpy model, the solidification behavior are analyzed when the phase change occurs in a temperature range; meanwhile, the solidification and heat transfer of air-cooling molten blast furnace slag droplet with two-dimension is numerically simulated by the volume of fluid (vof) method coupling with the solidification/melting model. the characteristics of slag droplet heat transfer, solid-liquid interface movement of slag droplet, air flow and temperature field solidify are explored. the influence of the droplet size, the droplet initial temperature, air velocity and air temperature are discussed. the main conclusions of this paper are summarized as follows:the variable thermal conductivity of the slag extends the solidification process, while the radiation significantly improves the cooling speed. which makes the results are in better agreement with the practical physical process; meanwhile, the solidification process is speeded up with increasing air flow rate and decreasing particle size. the cooling and solidification process is prolonged for the slag particle with higher initial temperature. however, as for the high initial temperature of the slag and the occurrence of the whole slag solidification process at a high temperature, the average ratio of radiation is 50%-60%, the increase of air velocities and the decrease of the initial air temperature has little influence on the solidification behaviors of the slag, but will play a important role in the following cooling process of the slag. compared with the constant phase change temperature, there exists a mushy zone, which is the coexistence of liquid phase and solid phase. the internal temperature cooling rate significantly decreases, resulting in a significantly longer time to complete the solidification process. the variation of the thermal conductivity with temperature shortens the solidification time of the slag particle, the consideration of radiation make the numerical results more reasonable for the high temperature bf slag. the increase of the spherical particle diameter reduces the moving speed of the phase change interfaces and significantly increases the solidification time. the higher velocity and the lower temperature of the cooling air, the higher the moving speed of the phase change interfaces and the shorter the solidification time of the slag particle. however, the influence is not significant as the radiation heat transfer owns a great proportion for its high initial temperature.for a single air-cooling slag droplet, the surface of slag is rapidly solidified with internal non-uniform solidification caused by the change of airflow field and thermal conductivity of the solid phase. the increase rate of the solid fraction will drops sharply after the 80% of slag completes the solidification, it will take a relatively longer time for the slag to complete the whole solidification process.the diameters of the slag proves to a very important factors to the solidification process of the slag. for the smaller droplet, it takes short time for the solidification due to the strong heat transfer on the surface. the air velocity proves to be important for the solidification of the slag surface, but shows less influence on the whole solidification time of the slag. therefore, the selection of the air velocity will take all the factors into consideration.keywords: granulate blast furnace slag; phase-change heat transfer; temperature field; phase interface; numerical simulation; solidification/melting model; vof;目 录中文摘要i英文摘要iiii主要符号表xi1 绪 论11.1 研究背景11.2 高炉渣的处理和余热回收技术的发展21.2.1传统水淬21.2.2 物理显热回收工艺321.3 相变冷却过程研究进展991.3.1 相变问题的特点991.3.2 相变问题的数学化处理10101.3.3 相变问题研究进展11111.4 本文研究目的和主要研究内容14141.4.1 研究目的14141.4.2 主要主要研究内容和创新性15152 数值模拟方法17172.1 区域离散化方法18182.1.1 内节点和外节点法18182.1.2 两种区域离散化方法的比较19192.2 方程离散化20202.2.1 泰勒（taylor）级数展示法20202.2.2 控制容积积分法21212.3 solidification/melting 模型23232.3.1 模型简介23232.3.2 能量方程24242.4 vof方法25252.4.1 方法原理25252.4.2 质量方程25252.4.3 动量方程25252.4.4 能量方程26262.5 相界面处理方法26262.5.1 界面附近的插值26262.5.2 连续表面张力（csf）模型27272.6 辐射模型28282.7 数值计算中相关问题的处理29292.7.1 求解器选择29292.7.2 计算区域离散和初始化30302.7.3 计算稳定性和收敛性30302.8 本章小结31313 相变温度恒定时熔渣颗粒相变冷却换热的一维数值模33323.1 模型的建立33323.1.1 物理模型的建立33323.1.2 数学模型的建立34333.2 模型验证37363.3 熔渣颗粒相变换热特性分析38373.3.1 换热特性分析38373.3.3 导热系数随温度变化对换热的影响41403.4 不同工况下熔渣单颗粒空冷相变换热特性研究43423.4.1 颗粒直径的影响43423.4.2 空气速度的影响46453.4.3 空气初温的影响49483.4.4 熔渣初温的影响50493.5 本章小结50494 存在相变温度带时单熔渣颗粒空冷相变换热的一维数值模拟51504.1 模型的建立51504.1.1 物理模型的建立51504.1.2 数学模型的建立52514.2 模型验证54534.3 熔渣相变换热特性分析55544.3.1 熔渣相变换热特性分析55544.3.2 辐射换热的影响57564.3.3导热系数随温度变化的影响59584.3.4 与不考虑温度带时相变换热特性对比61604.4不同运行工况下熔渣空冷相变换热特性研究63624.4.1 颗粒直径的影响63624.4.2 空气速度的影响64634.4.3空气初温的影响67664.4.4 熔渣初温的影响69684.5 本章小结69685 单熔渣颗粒空冷相变换热的二维数值模拟71695.1 模型的建立71695.2 计算区域网格划分及参数设定72705.3 模型验证75735.4 熔渣颗粒相变换热特性分析75735.4.1 颗粒周围空气速度场分布75735.4.2 颗粒内部及空气温度场分布77755.4.3 熔渣凝固过程中固液相分布图80785.5不同运行工况下熔渣空冷相变换热特性研究82805.5.1 颗粒直径的影响82805.5.2 空气速度的影响85835.6 本章小结86846 结论与展望89866.1 本文主要结论89866.2 后续工作展望9087致 谢9188参考文献9390附 录9996a作者在攻读硕士学位期间发表及撰写的论文9996b攻读硕士学位期间参研的科研项目9996c攻读硕士学位期间获奖目录9996英文字母d：液滴直径 mm; g:重力加速度 r:转盘半径 mr: 距离旋转中心径向距离 m; v: 速度 m/s;rps:转/每秒 s-1; re: 雷诺数we 韦伯数希腊字母：转杯内壁面的内倾角，rad; ：旋转角度,rad;:动力粘度 pa.s; :密度 kg/m3 :表面张力:n/m; :液膜厚度 m;:运动角速度rad/s; :波长 m;:时间 s; :速度 m/s;:扰动增长速率 s-1下标air：空气； slag：熔渣；r:径向分量； ：周向分量z:垂直分量；1 绪 论1.1 研究背景能源是一个国家赖以生存和发展的重要支柱。由于化学能源的有限，为了满足越来越大的能源消耗，开发新能源和提高现有能源的利用率成了解决问题的途径。在我国现有的产业里，钢铁工业是一个巨大的能耗企业。工业总能耗占全国总能耗和10%-15%，降低钢铁行业的能耗或者实现钢铁行业可回收利用资源的利用有重要经济效益。钢铁工业是典型的过程工业，是资源、能源密集型产业，吞吐量大、生产制造链长。钢铁企业的余热资源主要分为产品余热、熔渣余热和废气余热几个部分。其中熔渣携带大量的高品位热能，这部分热能至今没有得到很好的回收利用，也是整个行业中少数还没有被回收利用的余热资源之一。钢铁熔渣是钢铁冶炼过程中产生的副产品，以高炉渣为例，出渣温度为14501600，吨钢的渣产量为0.3吨，高炉熔渣显热，如表1.1所示，从表中可以看到熔渣属于高品位可利用余热资源，有回收价值高。目前，对于高炉渣的处理，大多数企业均采用水淬法，高炉渣的热量没有得到利用。高炉渣是钢铁冶炼中产量最大、含余热量最多的渣，占所有钢铁渣所含余热的80%。因此目前大多数余热回收技术都是以高炉渣为研究对象的。钢铁冶炼工业是国民经济的支柱产业之一。在过去的几十年中，钢铁冶炼技术取得了巨大的进展,2010年生铁产量约5.9亿吨，产生高炉渣约1.8亿吨，高炉渣带走显热约为2.7108 gj，折合标准煤约920万吨。到2013年，全球钢产量达到了15.27亿吨（世界钢铁协会）。然而钢铁工业也是能源密集型产业，需要消耗大量能源，约占全球总能耗的4-5%。这同时也对环境产生了巨大的影响，据统计，每吨成品钢的产出伴随着1.9吨二氧化碳的排放。如今，节能减排迫在眉睫，金属冶炼行业的降耗和余能回收也亦成为了各国关注的热点问题之一。其中，高效高品位回收高炉熔渣显热已经成为了当代能源研究者的重要任务。这将对节约能源和提高钢铁工业的经济效率有重要意义1。表1.1 高炉渣和转炉渣显热(以生产每吨钢铁计算，参考温度为25）table1.1 sensible heat of blast furnace slag and converter slag项目渣量（kg/t）出渣温度（）平均比热（kj/kg.）显热（gj/t）显热（kgce/t）高炉渣30014001.050.44314.8转炉渣10015500.630.0963.3合计0.6221.3高炉熔渣主要成分是cao、sio2、a12o3、fe2o3、mgo、mno、tio2等。随着冷却方式的不同高炉渣会呈现出不同的固相结构：缓慢冷却时形成晶体相，快速冷却时形成非晶相(或称玻璃相)。经估算，后者释放的热量比前者约少17%2；但是玻璃相高炉渣具有较高的水合活性，可作为水泥原料。现行的处理方法是采用水淬工艺实现高炉渣的物料利用，即是用大量的冷水对高温熔渣进行急冷使熔渣破碎成颗粒并形成水淬后的高炉渣可用作硅酸盐水泥的部分替代品，生产普通硅酸盐水泥。然而此法有许多缺点，不仅高炉渣的显热无法回收利用，而且造成水资源的大量浪费，对大气、水和土壤也会产生严重的污染，恶化环境。因此许多学者致力于研究干式余热回收方法的研究以取代水淬法，在实现熔渣物料利用的同时回收其高品质显热。从20世纪70年代开始至今，各种干式粒化法先后被日本、瑞典、英国、澳大利亚、中国等国家的研究者开发。根据粒化原理的不同，干式余热回收方法大体上可以分为颗粒碰撞法、机械搅拌法、滚筒法、风淬法和离心粒化法几大类，它们的核心思想都是避免水和熔渣直接接触，采用空气为冷却介质或者通过间壁式换热器实现热量回收。通过对换热过程的控制，以实现余热回收和固废品质的调控。离心粒化干式粒化余热回收技术是一种新兴的工艺3，其中的转杯离心粒化-空冷余热回收技术避免了传统水淬法的缺点，可实现高炉渣热量的有效回收及水资源的节约，冷却后的粒化高炉渣还有望得到高附加值利用，因此具有良好的发展前景。干法粒化余热回收工艺的主要流程是高温熔渣通过注渣口注入到高速旋转的转杯或者转筒上，在离心力和表面张力的共同作用下，破碎成粒。大量颗粒群在下降过程中与空气进行换热，不断冷却并凝固。这是一个非均匀多元多相热质传输过程，研究较为复杂。1.2 高炉渣的处理和余热回收技术的发展1.2.1传统水淬高炉渣主要由cao、sio2、a12o3、fe2o3、mgo、mno2、tio2等氧化物及其结晶物组成。高温熔融高炉渣在冷却后会出现两种固相：缓慢冷却产生的晶体相快速冷却产生的玻璃相其中前者释放的热能比后者多17%2。但前者产生的炉渣只能用作路基材料，后者产生的炉渣可以用作水泥生产的掺合料，大大提高了炉渣的后续利用价值。传统高炉渣的处理工艺为水淬粒化，它是指将熔融状态的高炉渣置于水中急速冷却，限制其结晶，并使其在热应力作用下发生粒化。水淬法处理后得到沙粒状的粒化渣，绝大部分为非晶态，符合高附加值炉渣产品要求。但水淬法存在以下不足：处理工艺耗水量大，浪费水资源；大量显热和潜热未被回收；产生h2s等有害气体；水渣在后序处理过程中，必须烘干，仍要消耗能源；系统后期维护工作量大。经过研究得到，高炉渣具有以下特点：导热系数很低，内部传热热阻大粘度随温度降低急剧升高温度降低时，流动性急剧下降, 因此熔渣的处理温度必须很高。这样虽然熔渣热焓大,但是由于其导热率低,换热慢,换热介质难以选择,而且回收的余热品质难以保证。高炉渣若要进行干式急冷处理,矛盾就更加突出。要提高换热速度就要尽量缩小渣粒的尺寸,这可以抵消一部分低导热率的影响。渣粒越小,则传热和固化越快,粘附的可能性越小。因此,熔渣的粒化技术是解决问题的关键。在20世纪70年代干式粒化高炉渣的研究已经在国外开始，前苏联、瑞典、德国、英国、日本、澳大利亚等国都有研究高温熔渣，包括高炉渣、钢渣等干式粒化技术的记录。有的方法还进行了工业试验，但是目前尚无一种方法真正实现工业化。下面主要对主要的干式余热回收工艺进行介绍。1.2.2 物理显热回收工艺物理显然回收工艺是指利用不同的物理方法对高温熔融高炉渣进行余热回收利用的工艺，对于物理显热回收工艺，将液态高温熔渣破碎是非常重要的部分。根据破碎的原理，可以将物理显热回收工艺分为：机械破碎法余热回收工艺，风淬法余热回收工艺和离心粒化法余热回收工艺。机械破碎法余热回收机械破碎法是指高温熔渣在机械力的作用下破碎。下面主要介绍几种机械破碎法的实例。1）冷却转鼓法（熔渣薄片状固化工艺）20世纪80年代，日本钢管(nkk)公司开发了冷却转鼓工艺，并进行了大量的基础研究和试验4-7，其流程示意见图1.18。液态高炉渣从滚筒的上部注入旋转的滚筒，在滚筒的旋转滚动下成为薄片状。薄片状熔渣在冷却流体的冷却作用下快速冷却，同时冷却流体吸收热量，经过换热器冷却以后，重新回到滚筒循环使用。回收的热量用来发电。图1.1 nkk冷却转鼓工艺fig1.1 schematic of nkk cooling drum process此法技术难点是：a. 转鼓的设计和稳定运行的控制；b. 渣膜厚度的控制；c.沸点高蒸发潜热有机溶剂的选择。因此，此回收工艺的热回收率偏低。2）旋转滚筒法20世纪70 年代末,日本住友金属和石川岛播磨重工联合开发了该工艺9，工艺流程为高温渣粒自由滴落，撞击在敷有不同浸润涂层的高速旋转的滚筒表面，在滚筒表面分散并被粒化成小颗粒。该法技术难点：a. 旋转滚筒表面涂层的选择；b. 介质颗粒与高温颗粒的分离；整个流程热回收率偏低。3）机械搅拌法日本住友金属工业开发了一种连续搅拌法熔渣造粒工艺10-11，如图1.2所示。熔渣在机械搅拌作用下被破碎。具体流程为：液态高炉渣注入到搅拌装置，在旋转叶片的搅拌作用下被破碎冷却。破碎后的渣粒在转轴的转动作用下不断地送到装置的外部，粒化装置由外部的水套冷却保护。此法缺陷在：a. 炉渣尺寸大而不均匀；b. 冷却后炉渣玻璃化程度不高。显热回收率低。图1.2 住友金属机械搅拌法fig.1.2 schematic of mechanical agitation process4）merotec工艺（利用热应力）该工艺由德国设计开发，见图1.32。粒化器是充填了介质(细渣粒) 的流化床,其温度远低于熔渣的凝固温度, 因此熔渣在热应力作用下破碎粒化。随后粒化渣进入流化床式换热器换热冷却，再通过筛分，得到03 mm 和 3 mm 两种粒级渣粒。这两种渣分别进入渣仓1 和2，细渣粒返回用于循环操作。熔渣热量通过介质的吸热、粒化器的冷却空气和流化床换热器得到回收。流化床内渣粒的温度可通过风量大小调节，一般为500-800图1.3 merotec工艺fig1.3 sketch of merotec slag granulation andheat recovery process风淬法余热回收工艺风淬法指的是用大功率风机产生高压、高速气流将熔渣流吹散、粒化。对于风淬法，许多学者做了研究。有新日铁用风淬法急冷处理高炉渣，日本钢管公司的转炉钢渣风淬处理工艺和俄罗斯设计的钢渣风淬粒化和余热回收装置等。1）日本转炉钢渣风淬处理工艺1977年，日本nkk与三菱重工合作开始研究转炉钢渣的风淬技术12.16。目的是：1）回收氧气转炉液态渣的显热；2）转炉钢渣的综合利用。1977年在nkk福山建立实验工厂，1981年建成用于生产的转炉钢渣处理设备，该方法中，熔渣在流槽中倾倒下来，在高速高压气体作用下被被破碎成微粒并快速冷却，在罩式锅炉中回收高温空气和微粒渣中所散发的热量并捕集渣粒。2）俄罗斯乌拉尔钢铁研究院钢渣风淬粒化和余热回收装置乌拉尔钢铁研究院研制了钢渣风淬粒化余热回收装置，见图1.412。熔渣颗粒经过另个热回收室进行余热回收，最后被冷却到160200 。回收的热空气用于生产热水等。离心粒化法离心粒化是利用离心力和表面张力对熔渣进行粒化，按照粒化设备形状的不同，有转杯法和转筒法。转杯法粒化原理是：将高温熔渣注入到高速旋转的杯状容器中，液体熔渣在离心力作用下被甩出，在离心力和表面张力的共同作用下形成颗粒，而且与冷却气流进行换热，自身不断被冷却进而凝固。造粒后的热回收过程可以有多种形式，一般和风淬法的回收方式类似，最近也有利用转杯粒化后用甲烷重整反应来吸收热量的方法（这一点将在化学方法中说到）。早在19世纪80年代，英国的pickering等人就开始研究用转杯粒化造粒的方法来回收熔渣余热216。图1.4 钢渣风淬粒化和余热回收装置fig.1.4 air blast granulation for steel slag in russia该方法在商业化试验中，热回收率为59%，渣粒被冷却到25016。该工艺的缺点是：回收设备较为复杂，控制起来比较困难。随后，许多团队加入到离心粒化的研究队伍中来。这里面有日本北海道大学的mizuochi17，purwanto18-19，akiyama20-21等人，中国东北大学的于庆波团队22.23和青岛理工大学的研究者24等，还有澳大利亚的csiro团队25。2001年日本mizuochi17对粒化可行性研究的实验，其他离心粒化实验的装置大体上也都是如此。只不过有的把转杯换成了转盘，原理和实际结果上均无甚差异。转杯的边缘设置了气流喷嘴，喷出的气流在换热的同时增加了粒化的效果。实验者分别研究了转杯的转速、熔渣的粘度和气体流量等因素对渣粒大小、颗粒粒径分布及质量分布的影响，并得出了相关曲线。该实验从物理原理上说明了转杯粒化法的可行性，结果表明，转速越大所得到的渣粒直径越小，1030n/s范围内转速对渣粒大小影响较大，超过30n/s后影响不大。他还对不同的转杯深度和倾斜角作了试验，指出在一定范围内这对制粒效果影响不大。但是该实验并未成功制得玻璃相渣粒，这也许跟其只关注粒化机理而忽略冷却过程有关系purwanto18.19对离心粒化的形成机理进行了分析及数值模拟。高速摄影仪拍摄的照片显示，熔渣在盘上形成液膜，被甩出之后先形成韧带状，最后破裂成颗粒18。他得出了粒径的预测公式以及单颗粒内部温度场的分布情况19。东北大学于庆波等22,23特别研究了转杯直径对粒径的影响。得到结论：转速低于1000n/min时，转杯外沿直径越大,所得颗粒平均直径越小，这是由于同样转速下外沿直径越大其脱离转杯时的线速度就越大；而在转速高于1000n/min后，影响变得不明显，这是因为转速较高时，液膜与转杯表面发生了滑移，当其离开转杯边缘时，线速度并未得到提高。而当转速高于1500n/min时开始有玻璃丝出现22，玻璃丝的出现不利于熔渣热量的回收和渣后续利用，因此并不是转速越高越好。2010年，日本的kasiwaya20，21等用转筒代替转杯，开发出了转筒粒化法。熔渣注入到旋转的转筒中，在离心力的作用下被甩出并粒化。研究者做了两组实验：转速一定时，改变转筒孔径；孔径一定时，改变转筒转速。结果显示，转筒转速越高，粒化后颗粒直径越小。孔径对粒径的影响比较复杂，从2mm变为1.3mm时，所称颗粒直径明显较小，大小也比较均匀，玻璃相含量较高；当从1.3mm变为1mm时，颗粒的平均直径变化不大，而大小和形状偏差却增大了。在对颗粒的截面做sem观察之后发现，颗粒表面有许多气孔，表层附近聚集着许多气泡（图1.5），气泡对颗粒冷却的影响作用还不是很明确。图1.5 转筒粒化法所得固体渣粒的微观结构22fig.1.5 the microstructure of drum blast granulation slag 1.2.3 化学余热回收工艺 化学余热回收工艺是指高温熔渣的热量（包括显热和潜热）利用化学反应来回收利用的工艺。根据参与化学反应的物质的不同，可分为一下集中回收工艺：（1）甲烷重整反应法；（2）煤的气化法；（3）直接反应法。 甲烷重整制氢反应法日本学者kasai，akiyama等人26,27利用将高炉熔渣显热转换成化学能的方式将热量转移出来，进行回收。利用高速喷出的甲烷和水蒸气混合气体对液态炉渣进行冷却粒化，二者进行强烈的热交换，液态渣在风力的破碎和强制冷却作用下，其温度迅速下降并破碎为细小颗粒。同时，混合气体在高炉渣显热的作用下，发生吸热反应生成一氧化碳和氢气，从而直接利用高炉渣的热量，化学反应式如下：ch4(g)+h2o(g) 3h2(g)+co(g) h=206kj/mol煤的气化法2004年中国刘宏雄28将煤的气化和高炉渣的急速冷却过程结合起来，设计了一套利用高炉渣余热制造生产水煤气的工艺29。该工艺主要利用煤气化来吸收利用高炉渣在冷却过程中产生的大量热量，达到生产煤气，同时实现高炉渣急速冷却的目的。该工艺的工作流程为：首先将没分和液态熔渣进行混合，之后送到旋转的转筒中进行粒化，粒化之后的颗粒将将热量传递给水蒸气和煤粉，煤粉和水蒸气在吸收热量后发生气化反应，同时粒化后的渣粒快速冷却凝固。具体装置如图1.6所示。图1.6 利用熔渣余生产煤气的实验装置29fig.1.6 the experimental apparatus of coal gasification 直接生产高附加值产品高炉渣的回收利用既包含了本身高品质显热和潜热的利用，又包含了炉渣本身的利用。如果能够直接利用高炉渣本身的热量将高炉渣转化为具有高利用价值的产品，无疑将成为熔渣利用的最佳选择。2002年中国的杨铧30等人发明了一种利用熔渣高品质显热，将熔渣制成矿棉的技术。该法利用高炉渣的显热并经过补热、调质、均化、调温等工序，直接利用高炉渣余热将高炉渣制成矿棉，热量回收率达到70%以上31。综上所述，以上余热回收方法均在原理上可行，但是都只停留在理论研究阶段，至今没有一种技术被大规模推广和利用。主要原因是熔渣余热利用回收存在以下特点和难点：熔渣颗粒具有粘度高，导热率低的特点。而且在随着温度下降，颗粒的粘度急剧增加，流动性变差。换热效果差。对熔渣回收利用时需要兼顾热量和物相品质。出渣具有不连续。回收的热量品质难以保证。但是，由以上各种方法比较可知，离心粒化法具有很大的利用前景。其中转盘粒化法和转杯粒化法是近年来熔渣余热回收技术研究的主要方向。熔渣的粒化机理有许多人做过研究，而其冷却过程的换热情形和物质微观结构的变化情形却仍不十分明朗。1.3 相变冷却过程研究进展包含熔化、固华、升华等一般称之为相变。其中自由移动界面问题的传热分析不仅是研究人员十分关注的问题、而且具有重要的工程背景，如冶金工业、食品工业、太阳能利用、化工工业等方面都伴有相变过程 而确定出不同时间固、液相区和相界面处的温度分布，跟踪研究相界面的移动速度和当前位置，从而计算出相变过程释放的潜热或者吸收的热量，将会对伴随相变过程的实验研究中工艺设备的设计和改进，对生产提供理论指导，提高工业经济效益。1.3.1 相变问题的特点 相变问题具有以下特点： 两相间存在固-液相界面，此界面把不同物性的两个区域分开。此界面上温度为相变温度。对于纯物质，相变温度为恒定值。相界面清晰。对于非纯物质或者合金等，相变温度时一个温度范围，相变过程在这个相变温度范围内逐步发生。此时，相界面不再清晰。 求解相变问题时，由于相界面既为固相区也是液相区的边界，且该界面上将发生潜热的吸收或者释放，因此，必须把边界的移动作为求解对象的一部分，这处理起来也是较为困难。相界面处满足温度连续性条件进而能量平衡条件，这就导致在求解数学方程时出现非线性，使方程求解困难。在相变过程中，固液相密度一般不同，同时液相区存在温度梯度，温度变化