鼓泡流化床中粒化高炉渣颗粒流化及换热特性数值研究

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作为钢铁工业中主要的尚未被有效利用的余热资源,高炉渣的排出温度介于1450-1550 oC之间,属于高品位余热资源。至今为止,水淬工艺仍是主要的高炉渣处理工艺,即用大量水直接与高温熔渣接触,熔渣在快速冷却的过程中形成具有凝胶活性的玻璃态产品,可用作水泥熟料的添加剂。然而,水淬工艺具有无法回收高炉渣中高品位的余热,水资源消耗量大,产生H2S、SO2等环境污染气体,水渣干燥需进一步消耗能量等缺点。为了兼顾高炉渣余热回收和物料利用,同时减少水资源的消耗和减少环境污染物的排放,学者们将目光投向了干式工艺。干式工艺的思路为:将熔渣破碎成细小的颗粒,增大熔渣在换热过程中的比表面积,采用空气作为余热回收的介质对熔渣颗粒进行冷却。在众多干式工艺中,离心粒化热回收工艺凭借其结构简单、操作方便等优势,被认为是最具前景的高炉渣处理工艺。然而,高炉渣、空气导热系数低,而形成玻璃相高炉渣需要将熔渣快速冷却,因此,如何实现粒化高炉渣颗粒的快速冷却是整个工艺实现的关键。鼓泡流化床凭借其优良传热效率和处理能力被认为是理想的粒化熔渣颗粒快速冷却并实现余热回收的装置。  本研究主要内容包括:①针对粒化高炉渣颗粒在鼓泡流化床中的流化过程,采用欧拉-欧拉双流体模型进行了数值研究,研究了流化风速、初始颗粒填充高度等操作工况对颗粒浓度分布、气泡特征等的影响规律。结果表明,适合粒化颗粒在鼓泡流化床中操作的工况范围为:流化数N大于1小于等于3、初始填充高径比R小于等于2。②在冷态研究的基础上,考察了流化风速、初始床层堆积高度等因素对颗粒相体积分数分布、相间换热系数、全局颗粒降温速率等的影响规律。结果表明,床内的局部相间换热系数主要由颗粒体积分数主导,气泡两侧的相间换热系数则由气相流场主导。③在上述冷态研究和热态研究的基础上,进一步考虑熔渣颗粒在实际冷却过程中会出现的导热系数、比热容等物性参数的变化,结合用户自定义函数考察了变物性条件下高炉渣颗粒在流化床中的流化行为,分析了流化风速、流化风初始温度、初始颗粒填充高度、颗粒初始温度等操作工况对相间换热系数、颗粒冷却速率等的影响规律。结果表明,颗粒平均温度在1000 K左右时出现了冷却速率回升的现象;浅层流化床适用于粒化熔渣颗粒的快速冷却和大规模处理。
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