烧结工序能耗占钢铁工业总能耗的10％至15％，仅次于炼铁工序成为钢铁工业第二大耗能用户。烧结余热资源包括烧结过程的废气显热和产品显热，分别占烧结工序总热量收入的20％和45％。现有环冷机主要目的是冷却烧结矿，而非进行余热回收，所以风量过大、料层过薄、冷却过快、漏风严重等弊端不可避免，无法满足高效换热和取热的要求。为了达到既冷却烧结矿又回收余热的双重目的，对环冷机的结构设计与热工操作应进行彻底改造。受干法熄焦技术启发，凡炽热的烧结矿、球团矿，都有可能像干熄焦一样用散料床气固强化热交换的方式进行强化换热，即用立式散料床气固热交换装置，取代现有的卧式烧结矿环冷机，在冷却烧结矿的同时，最大限度回收烧结矿显热。立式烧结矿余热回收装置内的气体流动研究是散料床气固强化换热的基础，因此，本文的研究具有重要意义。在对目前烧结矿冷却技术和气固移动床研究分析的基础上，本文主要开展了如下研究工作:
(1)烧结矿性能及粒级分布实验
通过烧结矿的转鼓实验分析了烧结矿的转鼓指数和抗磨指数，通过烧结矿粒级分布实验得到了烧结矿的破碎性能及各粒级分布比例，在此基础上，通过计算得到了各粒径范围下的烧结矿颗粒粉化率，分析了烧结矿散料层透气性的影响因素。结果表明:烧结矿颗粒越大，则越容易破碎，破碎后的粉化率越大;料层的空隙率越大，则料层内烧结矿的透气性越好。
(2)装置内烧结矿散料层的分布规律
以空隙率作为装置内散料层分布规律的主要指标，采用断面图像分析法测试了烧结矿在装置内的料层空隙率沿着高度方向的分布规律，采用环形区域划分法计算得到了料层沿着径向的空隙率分布规律，并采用多项式拟合得到了空隙率分布的表达式，结果表明:在实验条件下，烧结矿颗粒平均直径越大，则其对应的料层空隙率越大;当高度小于0.5 m时，料层空隙率随着高度的增加而增大，当高度大于0.5 m时，高度方向的料层空隙率基本保持不变;料层的径向空隙率分布中，距离装置的中心区域越远，则料层空隙率越大，在壁面附近空隙率最大，随着装置床径比的增大，边缘效应对于径向空隙率的影响减小，当床径比D/dp＞30时边缘效应可忽略不计。在立式烧结矿余热回收装置设计中，应增大装置内的烧结矿颗粒尺寸，以提高料层的空隙率，从而改善装置内烧结矿的透气性。
(3)气体流经散料层时的压力损失
基于烧结矿散料层内气体压力测试的实验数据，根据流体的“自模化”特性，采用无量纲分析方法，并通过非线性拟合得到了欧拉数Eu与雷诺数Re之间的关联式，对关系式进行数学处理后得到了不同当量直径下的装置内气体压力损失计算公式。将本文得到的压力损失计算公式分别与Ergun公式的计算结果、Yang等人的实验公式结果及数值模拟的结果进行了对比分析，讨论了气体流经散料层时的压力损失公式的可靠性，并在此基础上给出了降低料层内气体压力损失的两种办法:一是通过增大装置内烧结矿颗粒的当量直径以减小单位料层的压力损失，二是通过降低装置内冷却空气的表观流速以降低单位料层的压力损失，而在气固水当量相等的条件下，可采用在设计过程中增大装置直径的办法来降低冷却空气的表观流速。
(4)立式烧结矿余热回收装置的设计及气体流动分析方法
以烧结矿散料层的空隙率分布规律和散料层内的气体压力损失为基础，在烧结矿和冷却空气的气固水当量相等的条件下，结合对流传热、导热和热平衡方程，对立式烧结矿余热回收装置进行了设计计算，并在此基础上采用C语言开发了一套设计计算程序，用来替代余热回收装置设计过程的大量人工计算;以一台360m2烧结机为例，初步设计了对应的立式烧结矿余热回收装置。通过简化立式烧结矿余热回收装置的模型，采用UDF编写的程序作为多孔介质内空隙率及其阻力系数的分布规律，以此代替烧结矿料层的真实分布状态，从数值分析的角度建立了装置内气体流动的控制方程，并通过离散化、迭代求解和结果分析，指出了立式烧结矿余热回收装置内冷却空气气体流动分析中的侧重点:即冷却空气的出口温度、压力分布规律和气体的流线图分布。冷却空气出口温度可反映装置的余热回收品质;冷却空气的压力损失可反应装置运行的经济性;冷却空气的流线图表明了气流分布的均匀性，进而可知烧结矿冷却的均匀性，可反映余热回收装置的可靠性。
(5)立式烧结矿余热回收装置内气体流动过程分析
通过数值模拟对两种不同设计方案的立式烧结矿余热回收装置内的气体流动规律进行了对比分析，确立了一种比较合适的立式烧结矿余热回收装置，并针对此装置采用了数值模拟和设计计算程序相结合的方法，讨论了各个设计参数对装置内气体流动的影响。保持料层高度不变，通过改变直径可观察气流分布均匀性的变化规律，发现当高径比在1.2～1.6时既能使得气流分布均匀性较好，且能保证气体压力损失不至于过大;对比了中心供气、周边供气及中心和周边供气下的气流分布及压力损失，并分析了中心和周边供气时的供气比例对压力损失的影响;通过降低冷却空气表观流速可以降低装置内压力损失和烧结矿移动速度，进而降低烧结矿的粉化率;对比了装置内装有当量直径分别为15mm、25mm及35mm时的气流均匀性和压力损失，给出了采用较大颗粒(35 mm)的建议，并且明确了在装置内的数值模拟中采用UDF编程的方式才能比较真实地反映料层的分布规律及其对气体流动的影响;针对直径为4m、4.5 m及5m三种情况下的装置，分别改变其冷却空气入口温度的设计值，采用基于C语言的设计计算程序得到了不同入口温度下的料层高度、压力损失及高径比等参数，在满足气流分布均匀的条件下，选择了使装置内气体压力损失小且冷却空气出口温度高的一套设计参数作为立式烧结矿余热回收装置的最终参数:装置直径设计为5 m、料层高度为6.2 m，冷却空气入口温度设计为75℃，冷却空气表观流速为5.3 m/s，烧结矿移动速度为1.6 mm/s，冷却空气总压力损失为15.4 kPa，对应的单位料层的压力损失为2.6 kPa/m，单台装置的余热回收能力为350 t/h，适合填充的颗粒当量直径为35mm，烧结矿冷却时间为1.06 h，余热回收量为188.2 GJ/h，所需冷却风流量为37.8万m3/h，气料比为1080m3/t烧结矿。
- 作 者：
- 张朋刚
- 学科专业：
- 热能工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 东北大学
- 导师姓名：
- 蔡九菊
- 学位年度：
- 2014
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
