（制冷及低温工程专业论文）烧结余热竖罐式回收过程传热数值计算.pdf

at h e s i so fr e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n gs i m u l a t i o no fh e a tt r a n s f e ri nv e r t i c a lc o o l i n gt a n kf o rs i n t e r i n gh e a tr e c o v e r yb yl ij i es u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rd o n gh u in o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t yj u n e2 0 1 1 独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢= 正恩。学位论文作者签名：嬲c a ；日期：勿啊歹, o 、学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年口学位论文作者签名：旋釜签字日期：砂39导师签签字日台夕 东北大学硕士学位论文摘要烧结余热竖罐式回收过程传热数值计算摘要随着钢铁工业生产流程的逐步优化和工序能耗的不断下降，回收利用各生产工序的余热余能成为钢铁企业节能减排最有效的途径之一。烧结矿的冷却大多是通过环冷机冷却，然而目前冷却机的结构参数和操作参数的设计仅仅基于对烧结矿冷却的单体作用，已经很难适应烧结矿显热的高效回收与利用，冷却机在显热回收方面存在着一定程度的“先天不足”：冷却系统漏风、冷却台车表面散热、同时目前烧结余热回收仅限于冷却机的高温段。基于此，提出了竖罐式回收方法，其既能克服以往冷却机漏风造成的冷却与回收热资源效率降低的问题，又能克服以往的冷却机只能回收部分热源的问题，对烧结矿显热几乎全部回收利用。在此基础之上，基于多孔介质模型，采用多物理场耦合软件c o m s o l ，模拟了竖罐内的稳态传热过程，并辅以热力学分析，研究了烧结余热竖罐式气固传热的基本规律及其影响因素，以此来探讨应用于实际生产的竖罐的关键结构参数和操作参数。研究结果表明：( 1 ) 料层高度是影响空气出1 2 1 温度的因素之一。1 ) 生产能力不变，且烧结矿冷却到同一效果时，在一定范围内，随着料层高度的增加，循环空气的出口温度逐渐升高，气料比不断下降，同时，竖罐出口循环空气所携带的烟值呈现出先增大后减小的趋势。2 )在生产能力固定不变，且冷却风量不变( 气料比不变) ，在一定范围内，随着料层高度的增加，烧结矿出口温度逐渐降低，同时出口气体平均温度逐渐上升。空气出口携带烟值呈现先增加后来趋于平稳。因而，料层高度是有一定的范围的。对国内某3 6 0 m 2 烧结机而言，配套双罐体，单罐生产能力2 3 2 t h ，建议料层高度为6 m ；配套单罐体，单罐生产能力4 6 4 t h ，建议料层高度为7 m 。( 2 ) 气料比是影响空气出口温度的另一个主要因素之一。在一定范围内，生产能力及料层高度不变，随着气料比的增加，烧结矿的出口温度和循环空气的平均出口温度渐降低，热空气携带的炯值先增加后减小。( 3 ) 针对国内某3 6 0 m 2 烧结机，配套单罐体，单罐生产能力为4 6 4 t h ，料层高度7 m时比较合适，此时的气料比应该在1 5 2 6 m 3 t 之间。配套双罐体，单罐生能力为2 3 2 t h ，料层高度6 m 时比较合适，此时的气料比应该在1 4 0 9 m 3 t 之间。关键词：烧结，余热，竖罐，回收，模拟 东北大学硕士学位论文s i m u l a t i o no fh e a tt r a n s f e ri nv e r t i c a lc o o l i n gh e a tr e c o v e r ya bs t r a c td u et ot h eo p t i m i z a t i o no fi r o na n ds t e e lp r o d u c t i o np r o c e d u r ea n dd e c r e a s i n go fp r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o n ，r e c y c l i n gw a s t eh e a ta n de n e r g yg e n e r a t e db ye a c hp r o c e d u r eb e c o m e so n eo ft h em o s ts u f f i c i e n tw a y st og e tt h ea i mo fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c i n g a g g l o m e r a t ea l m o s tc o o l e db yc o o l e r b u tt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e r sa r ed i f f i c u l tt og e th i 曲e f f i c i e n c yo fr e c y c l i n ga n dr e u s i n g t h es i n t e rc o o l e rh a v eac e r t a i nd e g r e eh a n d i c a pi ns e n s i b l er e c y c l i n g d u et ot h ea i rl e a ko ft h ec o o l i n gs y s t e ma n dh e a tl o s si nt h es u r f a c eo ft h ec o o l i n gl o o pw h e e lm a c h i n e t h et e a mi n t r o d u c e sav e r t i c a lc o o l i n gt a n kr e c y c l i n gm e t h o d t h i sm e t h o dn o to n l yc a ns o l v et h ea i rl e a ko ft h ec o o l e ra n dt h el o ws u f f i c i e n th e a tr e s o u r c er e c y c l i n g ，b u ta l s oc a ng i v et h es o l u t i o no fp o r t i o nh e a tr e c y c l i n go fc o m m o nc o o l e r t h i sm a c h i n ec a na l m o s tg e ta l lr e c y c l i n gw i ma g g l o m e r a t es e n s i b l eh e a t s o ，b a s e do nt h ep o r o u sm e d i am o d e l ，m u l t i - p h y s i c sc o u p l i n gs o f t w a r ec o m s o lw a su s e dt os i m u l a t et h es t e a d y - s t a t eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ft h ev e r t i c a lt a n k ，s u p p o r t e db yt h e r m o d y n a m i ca n a l y s i st os t u d yt h eb a s i cl a w so fg a s s o l i dh e a tt r a n s f e rf a c t o ro ft h ev e r t i c a lt a n k ，w h i c hw a su s e dt oe x p l o r et h ev e r t i c a lt a n k ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r si na c t u a lp r o d u c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ，( 1 ) s i n t e rl a y e rh e i g h ti so n eo ft h ei n f l u e n c ef a c t o r st oa i ro u t l e tt e m p e r a t u r e 1 ) i nac e r t a i nr a n g e ，k e e pt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yu n c h a n g e da n ds i n t e r sw a sc o o l e dt ot h es i m i l a rt e m p e r a t u r e w i t ht h es i n t e rl a y e rh e i g h ti n c r e a s e s ，t h ea v e r a g ea i ro u t l e tt e m p e r a t u r eg r a d u a l l yi n c r e a s e d ，w h i l eg a sf e e dr a t i od e c l i n e d t h ee x e r g yc a r r i e db yt h eo u t l e ta i rs h o w i n gat r e n do fi n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e s 2 ) k e e pt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dc o o l i n ga i rf l o wu n c h a n g e d ，i nac e r t a i nr a n g e ，w i t ht h em a t e r i a ll a y e rh e i g h ti n c r e a s e s ，t h ea v e r a g es i n t e ro u t l e tt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s ，w h i l et h ea v e r a g ea i ro u t l e tt e m p e r a t u r es h o w i n gat r e n do fi n c r e a s e dt o o ，a n dt h ec a r r i e de x e r g yw a si n c r e a s e df i r s ta n dt h e ns t e a d i e d f o rt h ed o m e s t i c3 6 0 m 2s i n t e r i n gp l a n ti nt h i sp a p e r , w h e n2t a n k sp a c k a g e d ，p r o d u c t i o nc a p a c i t yi s2 3 2 t hp e rt a n k ，t h es u i t a b l es i n t e rl a y e rh e i g h ti s6 m ，w h e n1t a n kp a c k a g e d ，p r o d u c t i o nc a p a c i t yi s4 6 4 t hp e rt a n k ，a n dt h es u i t a b l es i n t e rl a y e rh e i g h ti s7 m v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t( 2 ) a r if e e dr a t i oi sa n o t h e ri n f l u e n c ef a c t o rt ot h ea i ro u t l e tt e m p e r a t u r e i nac e r t a i nr a n g e , k e e pt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dt h es i n t e rl a y e rh e i g h tu n c h a n g e d ，w i t ht h ea i rf e e dr a t i oi n c r e a s e s ，t h ea v e r a g es i n t e ro u t l e tt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s ，w h i l et h ea v e r a g ea i ro u t l e tt e m p e r a t u r eg r a d u a l l yi n c r e a s e d t h eh e a tc a r d e db yt h eo u t l e ta i rc o n s t a n t l yi n c r e a s i n gw h i l et h ee x e r g ys h o w i n gat r e n do fi n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e s s oa tt h ec e r t a i ns i n t e rl a y e rh e i g h t ，a i rf e e dr a t i oh a si t so w nc e r t a i nr a n g e ( 3 ) f o rt h ed o m e s t i c3 6 0 m 2s i n t e r i n gp l a n ti nt h i sp a p e r , w h e np r o d u c t i o nc a p a c i t y4 6 4 t hp e rt a n k ，1t a n kp a c k a g e d ，s i n t e rl a y e rh e i g h ti s7 mt h es u i t a b l ea i rf e e dr a t i oi sa b o u t15 2 6 m 3 t w h e np r o d u c t i o nc a p a c i t y2 3 2 t hp e rt a n k , 2t a n k sp a c k a g e da n ds i n t e rl a y e rh e i g h ti s6 m 也es u i t a b l ea i r 铽r a f t oi sa b o u tt 4 0 9 m 3 t k e yw o r d ：s i n t e r ；w a s t eh d a t ；v e r t i c a lt a n k ；r e c o v e r y ；s i m u l a t i o nv i 东北大学硕士学位论文目录目录独创性声明i摘要i a b s tra c t i v第1 章绪论11 1 问题的提出与意义。11 2 文献综述21 2 1 烧结余热利用现状21 2 2 移动床气固传热的研究现状61 3 本文主要研究内容和方法8第2 章烧结余热罐式回收方法的提出92 1 罐式回收方法的基本原理。92 2 烧结余热罐式回收方法的提出92 3 罐式回收方法的基本原理及其工艺流程1 02 3 2 罐式回收方法的工艺流程与参数1 02 3 3 罐式回收方法的优点1 12 4 本章小结1 2第3 章冷却过程流动及传热数学模型建立1 33 1 目的与意义1 33 2 物理模型的确定1 33 3 多孔介质模型的确立1 43 3 1 多孔介质简介1 53 3 2 多孔介质的基本参数_ 一1 63 3 3 多孔介质中传热过程的简析1 73 3 4 多孔介质流动和传热的研究方法1 83 4 冷却过程的基本假设及数学描述2 l3 5 罐式冷却过程模型建立与验证2 4 东北大学硕士学位论文目录3 5 ，1 几何建模2 53 5 2 求解域及边界条件的设定2 63 5 3 求解器选择2 83 5 4 模型验证及分析2 83 6 本章小结：3 0第4 章气固传热过程数值模拟及影响因素分析3 14 1 气固传热基本规律分析3 14 1 1 气料比对气固传热过程影响分析3 l4 1 2 料层高度对气固传热过程影响分析3 44 2 罐体半径对气固传热过程的影响一4 04 3 本章小结4 】第5 章烧结余热竖罐式回收的热力学计算4 35 。1 热力学计算分析方法4 35 1 2 焓分析4 45 1 3 炯分析+ 4 55 1 4 能级分析4 65 2 烧结余热竖罐式回收热力学分析评价体系4 75 3 本章小结5 2第6 章结论5 3参考文献一b致谢5 9攻读硕士期间发表的论丈6 0v i l l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 问题的提出与意义第1 章绪论能源是国民经济发展的物质基础，是经济发展的原动力。可靠的能源供应和高效、清洁的利用能源，是实现经济持续发展的基本保证。我国总能耗在国际上居第二位，仅次于美国，而人均能源消费量不到世界平均水平的半，不足美国的1 1 2 。经过几十年的发展，我国的工业逐步形成了体系，然而落后的技术和粗放式管理，使得我国的能源利用率一直比西方发达国家低很多，国内吨钢能耗是国外的1 4 9 倍。随着我国经济快速发展，人口增加、工业化和城镇化进程加快，特别是重化工业和交通运输的快速发展，能源需求大幅度上升，能源约束矛盾愈显严重。寻求新的能源或可再生能源，以及合理的综合利用现有的宝贵能源将是我国今后如何确保经济可持续发展的关键所在i 。随着钢铁工业生产流程的逐步优化和工序能耗的不断下降，回收利用各生产工序的余热余能成为钢铁企业节能减排最有效的途径之一。烧结工序能耗约占钢铁企业总能耗的1 5 ，仅次于炼铁工序而居第二位。目前我国烧结工序的平均工序能耗比国外先进指标高出1 9 以上，其主要原因之一是烧结过程余热资源的回收利用率低( 仅为1 0 4 0 ) ，而发达国家平均在6 0 9 0 ，因此，烧结过程余热资源的高效回收与利用是目前降低烧结工序能耗的主要措施之一 2 - 4 1 。烧结过程余热资源主要由两部分组成：部分是来自于烧结机尾部、温度约为8 0 0 -9 5 d 烧结矿所携带的显热即烧结矿显热，这部分显热约占烧结过程余热资源总量的7 0 ：另一部分来自于烧结机主排烟管道的烧结烟气显热，这部分约占余热资源总量的3 0 。烧结余热的高效回收与利用是进一步降低烧结工序能耗的主要措施之一。比较而言，两种余热资源中，烧结矿显热数量较大，品质较高，其可被空气介质所携带；而烧结烟气显热数量较小，品质较低( 烧结烟气平均温度为1 5 0 - - 2 0 0 ) ，且成分比较复杂，尤其是s 0 2 、0 2 、n o 。及粉尘等沿着烧结机长度发生变化。基于此，烧结矿显热的高效回收与利用是整个烧结余热回收与利用的核心与重点。烧结矿的冷却大多是通过环冷机冷却，但目前我国乃至世界上，冷却机的结构参数和操作参数的设计仅仅基于对烧结矿冷却的单体作用，只有很少的企业将吸收烧结矿显热的气体通入余热锅炉用来发电，大多数没有考虑对烧结矿显热的回收利用，主要的问题在于如何更加高效的将烧结矿的显热取出，换言之，目前冷却机的结构和操作参数已经很难适应烧结矿显热的高效回收与利用，冷却机在显热回收方面存在着一定程度的 东北大学硕士学位论文第1 章绪论1 2 1 1 国外烧结余热利用现状国外很早就对烧结余热的回收利用进行了研究。2 0 世纪7 0 年代末期，日本住友会属工业公司对烧结机冷却器用废热锅炉回收蒸汽，8 0 年代中期，日本烧结厂的余热回收技术就己经应用得比较广泛，其中冷却机排气利用的普及率达到5 7 ，而烧结机废气利用的普及率为2 6 。( 1 ) 烧结余热产生蒸汽2 0 世纪7 0 年代末期，日本住友金属工业公司烧结机冷却器的同收装置采用完全循环的双通道方式脚。由于循环风机及风管对烧结矿层进行二次循环，使循环气温度提高到3 7 0 ，用废热锅炉回收蒸汽。和歌山厂4 号烧结机上安装的一台冷却器废热回收设备，每小时可发生蒸汽1 0 - - 一2 0 t 。在用余热产生蒸汽的工厂中，冷却机废气余热回收量最高的是日本住友公司的小仓厂，其中每吨烧结矿平均回收蒸汽为1 0 4 。3 k g ，压力为0 8 8 3 一1 2 7 5 m p a ，温度为2 7 3 。烧结机废气余热回收最好的是新日铁公司的大分2 号机，每吨烧结矿平均回收蒸汽为3 2 8 蝇，压力为0 9 8 m p a ，温度为2 1 3 。( 2 ) 烧结余热发电日本缺少资源，非常重视节能，各公司烧结厂在余热利用方面走在世界各国的前面。至上世纪8 0 年代中期，日本烧结厂的余热回收技术就己经得到了广泛应用。世界上最早利用冷却机废气产生蒸汽用于发电的是原日本钢管公司的扇岛厂和福山厂，这是世界上第一套利用废气生产蒸汽发电系统。该系统在环型烧结矿冷却器的高温部分鼓入1 0 0 的循环空气，这部分空气经冷却器后达3 5 0 ，然后送至特殊设计的锅炉生产蒸汽用来发电。另外，日本新日铁君津3 号烧结机和住友金属小仓3 号烧结机的余热电站也是运行较早的烧结余热电站。1 9 7 1 年投产的君津3 号机是一台5 0 0 m 2 的带式烧结机，年产烧结矿5 4 7 5 万吨，采用鼓风环冷。1 9 8 1 年底安装了一套利用f 8 5 低沸点有机介质循环的余热发电系统，产生蒸汽再带动透平机发电，装机容量1 4 8 m w ，发电量可达1 2 5 m w 。1 9 7 6年投产的小仓3 号烧结机面积为2 2 3 m 2 ，其余热回收系统每小时产生1 0 m p a 蒸汽2 6 吨，余热发电装机容量5 0 0 k w 。住友金属和歌山4 号烧结机采用机上冷却的方式，面积为1 8 9 m 2 。在机上冷却段分两段布置两台余热锅炉产生中压过热蒸汽，供给自备发电站用于发电，并且从一级省煤器后抽出热水作为自备电站锅炉预热供水。该系统于1 9 9 1 年6 月完工，也是同本烧结余热回收发电较早的一个厂，并且己经有了区域余热发电的雏形。( 3 ) 烧结余热用于热风烧结烧结料层离开点火器后将向外放热，在8 m 长的区段内，烧结料层表面温度一般可从l1 0 0 。c 降到3 0 0 ，损失热量约3 7 7 g j h ，该热量的7 5 是在点火后的前3 m 中损失的。在 东北大学硕士学位论文第l 章绪论这段距离内，烧结料层的表面温度从1 】0 0 1 2 降到6 0 0 。在点火器后安装三段式换热器，可较为有效地回收这部分热量。前苏联马凯耶夫钢铁厂烧结车间利用点火后料层表面的辐射热加热空气，进行烧结料层表面热处理。该方法既可改善表层烧结矿的质量，又可利用换热器的热空气( 3 0 0 4 0 0 ) 进行热风烧结，节省固体燃料2 。5 6 ( 1 5 k g t 烧结矿) 。采用热空气向料层补充加热，可明显提高表层烧结矿强度，使 5 r a m 粒级含量减少1 6 9 ；成品烧结矿中 o 3 ) ；穿过床层的气流处于非流态化；床层内进行着以气固问热量交换为前提的剧烈化学反应，气固接触越充分，热量交换越充分，化学反应就越充分。床层内气固两相物质的流动是影响气固间接触的主要因素。移动床模型，是在固定床的基础上发展而来的，但在传热性能方面明显比固定床优越，所以其在工业利用方面越来越广泛。研究移动床气固传热有非稳态法和稳态法两种方法，前者认为气固传热发生在整个床层内，换热表面是用整个床层颗粒的表面积，得到的传热系数是表观传热系数。后者认为颗粒温度在整个床层中是相同的，气体只是在布风板上很短的距离内才有温度梯度存在，即气固传热只发生在布风板上很小的区域内，换热表面是用存在温差的布风板上那一薄层颗粒的表面积，得到的传热系数是有效传热系数。比较而言，非稳态法求取表观传热系数实验容易，工程应用较多，但是它忽略了气固传热只发生在床层入口处附近区域这一事实，稳态法获耿数据极其艰难，一般文献只提供了得到有效传热系数的理论途径，国内外有关有效传热系数的研究报道极其少见，因此研究有效传热系数非常必要。冯妍卉，张欣欣，郑文华，徐列等【f 6 1 ，根据干熄炉根据干熄炉内焦炭换热的特点，用干熄炉模型对焦炭粒度和冷却气体流量等参数进行了试验。得出如下结论：针对焦炭粒度和冷却气体流量等参数的试验研究，得到了焦炭床层平均换热系数及其关联关系，与k i t a e v 公式进行了比较：平均体积换热系数对焦炭的粒度较为敏感，平均体积换热系数随焦炭粒度变小而急剧增加。郭有仪等l l 采用非稳态法首次简单地测量了常温韧性材料橡胶在低温状态下的导 东北大学硕士学位论文第1 章绪论热系数值，并在实验研究的基础上，推出了鲍热移动来内低温气流与橡胶颗粒之间换热的无量纲准则关系式。得出了影响传热的主要因素之间的关系式，弥补了绝热移动床内低温状态下气一固两相传热研究的不足。胡国新等【l8 】针对移动颗粒床中物料层内的高温气体渗流传热现象，考虑渗流与传热的相互作用，采用局部非热平衡假设建立了多孔介质渗流传热物理数学模型并进行了数值计算。研究了不同情况下床内填充多孔介质中的流速、气固温度和床层压力损失。计算结果表明，高温热气对移动床颗粒料层的热渗透主要发生在渗流入口端区域，增大入口渗流速度以及减小床层物料下移速度将导致物料温度沿床高慢速下降，热渗透深度扩大，热渗透作用区域内的物料温度水平提高，在热渗透作用区域，孔隙率对流场和压力损失有很大的影响。a c c a p u t o ，p m p e l a g a g g e 1 9 1 针对工艺流程中固体颗粒移动床余热回收，烧结厂冷却机为原型，建立了二维非稳态仿真模型，用来研究固体颗粒移动床中对流和热传导问题。结果表明固体颗粒进口温度和进口流量的变化都对气体的温度变化有非线性的影响，固体颗粒进口温度变化影响更大。移动床内部的局部流动和传热过程研究一直是一个颇具挑战性的问题。有效参数法是长期以来固定床传热研究的常用方法，但是由于对移动床内温度场缺乏准确的了解，目前为止许多基于有效参数法的传热模型的普适性仍然存在问题。而计算流体力学( c f d ) 的数值模拟方法是近年来应用于固定床流动和传热研究的一种新的研究方法，它通过数值方法求解流动和传递的微分方程组而获得流场和温度场。c f d 数值模拟方法能够提供精确的局部流动和传递信息如速度分布、压力分布、温度分布、组分浓度分布等。宋波，冯妍卉，徐列，于振东等1 2 0 】应用商业c f d 软件对炉内压降进行模拟，结果表明当风量一定时，随着焦炭粒度的增大，床层单位高度的压降减小当焦炭粒度一定时，随着风量的增加，床层单位高度的压降增大。y a g h o u bb e h j a t 和s h a h r o k hs h a h h o s s e i n i 等1 2 l j 在模拟了气固流化床反应器中气体温度的分布情况和固体颗粒温度情况。d u o x i n gy a n g 2 2 j 以饱和多孔介质为例，采用b r i m a j l f o r c h h e i m e r - e x t e n d e dd a r c y( d f b ) 公式，用m a c ( m a r k e ra n dc e l l ) 和c h o r i n 压力迭代法对雷诺数、达西数、孔隙率以及粘性系数对速度的流动的影响进行了研究，结果表明达西数对速度和压力有决定性的影响，粘性系数选择的不合理性可能导致重要物理现象的丢失。一般来说，考虑到固定床内的流道几何形状的极端复杂性，气固传热过程的数值模拟研究分为两类：其一是把固定床视为一种等效的多孔介质或者采用拟均相假设：其二 东北大学硕士学位论文第l 章绪论是直接求解床层内复杂流道内的流动和传递控制方程。前者在模拟求解气固传热模型时，将复杂的颗粒层定义为一个区域模型，使建模求解过程得到了简化，很容易得到模拟结果。但由于实际的多孔介质往往具有非均匀性和各向异性的特点，构成了多孔介质中的传递现象和机理的复杂性，使得入们在研究一些具体问题时，不仅需要深入的理论研究，而且需要通过实验来揭示传递过程的规律性，并用于工程实践指导。后者直接求解固定床流动的方法出于没有对几何形状和控制方程作任何简化，能够得到固定床内准确的和“微观”的流场与温度分布信息，但是需要产生极其复杂的计算网格和处理复杂的边界条件。作为一个近年来才应用到固定床研究领域的新方法，固定床传热的c f d 模拟的进一步应用还需要克服一些必须克服的困难。1 3 本文主要研究内容和方法本文研究的是烧结矿余热资源通过罐式方法的高效回收与利用，本文的结构主要研究内容有：第2 章提出罐式回收工艺流程；第3 章通过罐内的气固传热与流动过程确立多孔介质模型，在基本假设的前提下提出描述问题的数学方程，建立相应的模型，并且对模型进行验证；第4 章以国内某烧结厂为例，模拟烧结矿竖罐式冷却过程。分析冷却基本规律，从料层阻力特性和气固传热特性及影响因素等方面来研究论证烧结余热竖罐式回收的可行性；第5 章对烧结余热竖罐式回收进行热力计算分析；第6 章结论。 东北大学硕士学位论文第2 章烧结余热罐式回收方法的提出第2 章烧结余热罐式回收方法的提出2 1 罐式回收方法的基本原理烧结矿的罐式冷却系统如图2 1 所示，烧结余热罐式回收方法，是充分借鉴了干法熄焦( c d q ) ，将炽热的烧结矿从罐体顶部装入，低温空气由循环风机鼓入罐体内冷却段热烧结矿层内，吸收热烧结矿显热，冷却后的烧结矿从罐体底部排出，从罐体环形烟道出来的高温气体流经余热锅炉进行热交换，锅炉产生蒸汽进行发电，冷却后的气体由循环风机重新鼓入罐体内，气体在封闭的系统内循环使用e 2 3 】。冷矿撩出图2 1 烧结矿罐式冷却系统示意图f i g 2 is c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es i n t e rt a n kc o o l i n gs y s t e m2 2 烧结余热罐式回收方法的提出当前我国正提倡建设能源节约型的社会，而钢铁行业是仅次于电力行业的耗能大户，并且烧结工序能耗约占钢铁企业总能耗的1 5 ，仅次于炼铁工序而屠第二位。所以烧结矿余热的回收水平对钢铁企业节能将起着至关重要的作用。烧结过程余热资源( 简称烧结余热，下同) 主要由两部分组成：一部分是来自于烧结机尾部、温度约为7 0 0 - - 一7 5 0 c 烧结矿所携带的显热即烧结矿显热，这部分显热约占烧结过程余热资源总量的7 0 ；另一部分来自于烧结机主排烟管道的烧结烟气显热，这部 东北大学硕士学位论文第2 聿烧结余热罐式回收方法的提出分约占余热资源总量的3 0 。烧结余热的高效回收与利用是进一步降低烧结工序能耗的主要措旖之一。比较而言，两种余热资源中，烧结矿显热数量较大，品质较高，其可被空气介质所携带：而烧结烟气显热数量较小，品质较低( 烧结烟气平均温度为1 5 0 2 0 0i c ) ，且成分比较复杂，尤其是s 0 2 、0 2 、n o ，及粉尘等沿着烧结机长度发生变化。基于此，烧结矿显热的高效回收与利用是整个烧结余热回收与利用的核心与重点。目前，我国乃至世界上，冷却机的结构参数和操作参数的设计仅仅基于对烧结矿冷却的单体作用，而几乎没有考虑对烧结矿显热的回收利用；换言之，目前冷却机的结构和操作参数已经很难适应烧结矿显热的高效回收与利用，冷却机在显热回收与利用上存在着不可克服的弊端，主要表现为：首先，冷却机漏风的存在使得烧结矿显热大量散失，同时使得用于鼓风冷却的鼓风机电耗增加。冷却机的漏风主要存在于两个部位：一个部位是冷却台车与鼓风机管道之间的缝隙，在这里，常温空气向冷却系统外泄漏，漏风率约为2 0 - 3 5 ，这将使得鼓风机的电机所消耗的功率约增加2 5 3 5 ；另一部位是冷却台车与集风罩之间的缝隙，在这里，携带烧结矿显热的热空气向系统外泄漏，漏风率约为10 - - - - 15 ，这将使得烧结余热的发电量降低1 0 - - 1 5 。其次，冷却机带式结构仅对温度较高部分( 一般在3 0 0 ( 2 以上) 烧结矿显热进行回收，浪费掉了温度较低部分的烧结矿显热资源。目前，烧结矿与空气之间是移动错流气固传热，沿着冷却机上烧结矿运行方向上，烧结矿温度逐步降低，热空气温度也逐步降低。当热空气温度低于2 5 0 甚至低于3 0 0 时，其被用于发电的经济性已经难以保证。经初步估算。目前，仅有4 5 - - - - 5 5 的烧结矿显热得以回收，其余约一半的余热资源白白浪费掉了。此外，冷却台车表面散热使得烧结矿显热损失约5 。基于此，我们提出了一种烧结过程余热资源的竖罐式回收方法，其目的是既能克服以往冷却机漏风造成的冷却与回收热资源效率降低的问题，又能克服以往的冷却机只能回收部分热源的问题，其能对烧结矿显热几乎全部回收利用。2 3 罐式回收方法的基本原理及其工艺流程2 3 2 罐式回收方法的工艺流程与参数如图2 2 ，从烧结台车出来烧结矿由旋转罐体接收，罐体经电机车牵引至罐式冷却塔底部，由提升机将罐体提升至塔顶：提升机挂着罐体向冷却塔中心移动过程中，与装 东北大学硕士学位论文第2 章烧结余热罐式回收方法的提出结余热资源等弊端，改变了冷却机仅限于烧结矿冷却而不能高效回收显热的局面。2 、提高了携带烧结矿显热的热空气品质，克服了传统冷却机生产蒸汽品质较低且流量不稳定的弊端，为后续生产蒸汽品质从提高吨烧结矿发电量打下良好韵基础。3 、烧结矿品质得到明显提高。热烧结矿在在预存段有保温作用，进行温度均匀化和残存挥发份析出过程，因而经过预存段，烧结矿成熟度得到进一步的提高，生矿基本消除。其次在冷却塔内向下流动过程中，烧结矿受机械力作用，脆弱部分及生矿部分得以筛除，成品率得到提高。4 、降低粉尘的排放量，保护环境。由于冷却气体在密闭罐体内对烧结矿进行冷却，同时罐体采用定位接矿，粉尘易得到控制。5 、通过循环工作，资源的反复利用率提高，同时工作效率也得以提高，从而进一步提高热能利用率。2 4 本章小结综上所述罐式回收方法在经济效益和环保效益显著，有利于企业的发展，同时也符合循环经济理念。将炽热烧结矿装入竖式封闭的罐体中，然后从罐体通入空气，使得烧结矿得以冷却，同时烧结矿的显热几乎被空气全部携带并出罐体顶部排出；热空气通入余热锅炉生产蒸汽并网发电。本发明与现有的烧结余热回收与利用技术相比，其具有较高的余热回收利用率，并有效降低烧结工序能耗，该方法合理，高效，设备简洁易操作，比较利于在冶金过程余热资源回收与利用技术领域推广应用。但是，由于烧结余热的罐式回收方法是一个比较新的研究方向，目前在国内甚至是国际上都几乎是一片空白，本文采用数值计算的方法来模拟罐式回收的可行性，以此来探索罐式回收在工程应用上的可行性，其发展前景还是比较客观的，同时也需要我们在以后的研究中付出更多的努力。 东北大学硕士学位论文第3 章冷却过程流动及传热数学模型建立第3 章冷却过程流动及传热数学模型建立3 1 目的与意义在数值模拟没被引入工程研究以前，大多的工艺研究主要依靠实验研究和现场观测，在很大程度上要依靠长期积累的经验，这些方法至今仍有重要的实际意义，但是现在，随着科学技术的发展以及激烈的市场竞争对工艺要求的不断提高，要想研究出一种新的适合当前社会的工程应用标准的技术，传统的研究方法已不能适应新形势发展的需要。利用数值模拟方法已经成为今后研究工程技术中的重要手段之一。罐式冷却过程数值模拟是基于计算流体力学和计算传热学的原理，用数值方法通过计算机直接求解非线性联立的质量、动量、能量及组分守恒偏微分方程组，通过数学分析，可以预报出流动和传热过程的细节，即给出整个流场中各变量的时空分布，进而分析烧结余热罐式回收过程的速率和效果。因此，这样的数值模拟是工程装置优化、仿真设计和实现过程最佳控制的有力工具，并且将得到进一步的发展和完善。通过模拟该过程，可以提高对罐式回收过程的基本现象的认识，为改善工艺过程和操作提供依据：探索工艺过程各参数的变化规律及它们之间的定量关系，以优化工艺和实现对工艺过程的自动控制；指导生产实际现场和现场实物试验的设计和规划，以节省投资。3 2 物理模型的确定本文所研究的烧结余热竖罐式回收的基本原理同干熄焦原理相同，因而本文物理模型首先以实际干熄炉为例设计2 3 1 。预存段有效容积：约3 5 0 m 3预存段直径：8 0 0 0 m m冷却段有效容积：约4 8 0 m 3冷却段直径：9 0 0 0 m m循环气体进口温度：3 0 烧结矿进口温度：7 0 0 烧结矿出口温度：不高于1 0 0 理想中设计的是连续进料和排料的流化床炉，本文以连续排料的移动床为模型，进行相关的探讨和研究，通过对移动床内的流体流动和气固传热研究，进一步探讨能够满 东北大学硕士学位论文第3 章冷却过程流动及传热数学模型建立足实际生产情况的罐体参数，为实际生产的进一步研究奠定理论基础。图3 1 为烧结矿罐体冷却装置的示意图。预存段冷却段烧结矿入口图3 1 罐体示意图f i g 3 1t h ev e r t i c a lc o o l i n gt a n kd i a g r a m3 3 多孔介质模型的确立空气山口气入口罐体内炽热的烧结矿和循环气体之问的换热过程，其本质是高温循环气体在由炽热烧结矿组成的移动床中的强制对流换热问题。烧结矿在罐体内的冷却过程，即是循环的空气与烧结矿的气固传热过程，但直接建立求解移动床全尺寸换热模型然后进行求解的方法，目前还存在着众多难题，故我们采取了多孔介质模型，将烧结矿看作是带孔的多孔固体介质，来模拟求解烧结矿的冷却过程。在竖式罐体内气固换热反应床的模型如图3 2 所示。烧结矿被加迸罐体中去，然后有循环气体通过料层形成了换热前沿前沿沿着罐体移动。最后气体以热空气的形式排出，烧结矿以冷却矿的形式排出，完成换热。在宏观系统中的这种反应前沿的移动与在多孔固体颗粒内分布的反应前沿的运动之问必然会表现出类比的关系。图3 2 所描述的系统相当于联系过程，但考虑到其连续运动的速率低，因而在本文可以认为烧结矿以恒定的速度向下移动，可以用稳态的方式来模拟罐体内不同位置的物料冷却情况。实际气固换热的主要物理现象有流体流动、传热和传质，本文主要研究气 东北大学硕士学位论文第3 章冷却过程流动及传热数学模型建立固反应传热情况。料热空气冷矿连续排山图3 2 罐体气传热示意图f i g 3 2g a s s o l i dh e a tt r a n s f e rd i a g r a mi nt h e v e r t i c a lt a n k接下来本