高温熔融高炉渣颗粒相变冷却换热毕业论文.docx

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，产责:高，温度在1450CT650C,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题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，同时与周困环境进行相射换热，自身不断被冷却并发生凝固。空气温度上升并能被后续利川。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，再加上熨杂的边界换热条件，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，采川焰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。得到了一维情况卜高炉渣颗粒的相变换热特性。研究了一维情况下向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。研究了熔泄颗粒相变换热热性，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隔时间延长，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，冷却凝固时间显著烟加。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膜的粘接。这将对颗粒凝固完成后的物相品质产生玳要:影响。但是由于熔渣颗粒作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。踪上述，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：ABSTRACTDuetoenergyshortageandenvironmenta1.issucs.itbecomesinevitab1.eforthedeve1.opmentanduti1.izationofnewenergyandthereductionofenergyconsumption.Thestee1.industryisoneof(heindustriesown1.argeenergyConSiHIIP1.iOn,near1.y10%-15%ofthecountrywho1.eenergyconsumption.TherefOreoreducestee1.industryenergyconsumptionasacircu1.areconomyissignificant.B1.astfurnaces1.agisaby-productofthestee1.industry,owningahightemperaturebetweenI45O*C-1650rC,whichhasa1.argeamountofwasteheatwithhighrecoveryva1.ue.Current1.y,quickcoo1.ingofthehightemperatures1.agisrea1.izedbywaterquenching.However.distinctdrawbacksarepresentedduringthecourseofwaterquenchingprocess,inc1.udingafu1.1.wasteofsensib1.eand1.atentheat1.ischargeofha11nfu1.gases(suchashydrogenSU1.fide.su1.furdioxideandothers)andhugewasteofcoo1.ingwater.Thusmakingtheintegrateddrycentrifuga1.granu1.ationandaircoo1.ingheatrecoverytechno1.ogyhasbeenanewprocessandhasagoodapp1.icationprospect.Forthecentrifuga1.granu1.ationmethod.itstechnica1.processcanbedescribedasfo1.1.ows.High-temperature1.iquids1.agisdirect1.ypouredintoahigh-speedCOntainer(CUP/disk/Cy1.inder)andthenthes1.agisradia1.1.yprojectedOUIWardSduetothero1.eOfcen1.rifuga1.forceandsubsequent1.ybrokenintodrop1.etsduetothero1.eofsurfacetension.Atthesametimeairisb1.owntocoo1.thedrop!ets.Thisprocesscanperfect1.yrea1.izethepurposeoftherecovery,fromthes1.ag,inckdingtheeffectiveheatrecoveryandthereuseofthes1.ag.Asforthetcchno1.ogy,themostimportantpartsarcthegranu1.ationof1.hes1.agandtherecoveryofthehighgradeheat.But-thchightemperatureofthes1.agincreasesthedifficu1.tyIbrthegranu1.ationandtheheatrecoveryprocessandbecomesthemainrestrictionfactorfortheIaboratorj'study.Therefore.(heheatrecoveryprocesssti1.1.hasnotbeenexperiment1.ystudied.Asweknow,theaircoo1.ingprocessofIhes1.agisaveryobviousphasechangeheattransferrob1.em.Consequent1.y.amovinginterfaceseparatingtwodifferentphasesdeve1.opsandabsoptionorre1.easeof1.atentheathappensinthevicinityofthisinterface.Mathematica1.mode1.1.ingofsuchprob1.emsarea1.wayscha1.1.engingtaskbecauseofthecomp1.exboundaryconditions,aswe1.1.asvariedtherma1.physica1.properties.Theoreticana1.ysisontransientaircoo1.ingandso1.idificationbehaviorsofaSpbertca1.mo1.tens1.agpartic1.eisperformedVihtemperaturemode1.,theso1.idificationbe1.aviorsareana1.yzedwhenthephasechangeoccursataconstanttemeratureWithentha1.pymode1.theso1.idificationbehaviorareana1.yzedwhenthephasechangeoccursinatemperaturerange;Meanwhi1.e,theso1.idificationandheattransferofair-c1.ingmo1.tenb1.astfurnaces1.agdrop1.etwithtwo-dimensionisnumerica1.1.ysimu1.atedbythevo1.umeoff1.uid(VOF)methodcoup1.ingwiththeso1.idi11cationne1.tingmode1.Thecharacteristicsofs1.agdrop1.etheatIransfenso1.id-Iiquidinterfacemovementofs1.agdrop1.et.airf1.owandtemperaturefie1.dso1.idifyareexp1.ored.Theinf1.uenceofthedrop1.etsize,thedrop1.etinitia1.temperature,airve1.ocityandairtemperaturearediscussed.11emainconc1.usionsofthispaperaresummarizedasfo1.1.ows:©Thevariab1.ethena1.conductivityofthes1.agextendstheso1.idificationprocess,whi1.etheradiationsignificant1.yimprovesthecoo1.ingspecd.Whichmakeshcresu1.tsarcinbe1.teragreementwiththepractica1.physica1.process:Meanwhi1.e,theso1.i