熔渣颗粒空气冷却相变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,钢铁行业降低能耗、发展循环经济已成为必然。高炉渣是钢铁行业具有大量余热的副产品,回收价值很高,但现在炉渣主要采用水淬法处理,无热回收且浪费水资源。目前正处于研究中的离心粒化空气冷却技术将高温熔渣通过离心粒化器形成小颗粒,然后在空气流中相变冷却,熔渣的热量可通过空气回收利用,并且有望得到品质较好的熔渣产物,同时可节约水资源,减少污染。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。但熔渣颗粒空气冷却是一个复杂的换热过程,特别是涉及到熔渣的凝固放热问题,机理复杂,影响因素多且各因素相互耦合,给研究带来一定困难。
　　本文针对熔渣颗粒在空气冷却换热的问题,采用VOF方法耦合凝固和熔化模型,建立了单颗粒熔渣空气相变的数值模型,研究了熔渣颗粒换热特性,获得了颗粒内部固液界面移动规律、空气速度场分布、颗粒内外温度场分布,讨论了颗粒尺寸、颗粒初温、空气速度、空气初温等参数对单颗粒熔渣空冷相变换热特性的影响;在此基础上建立了多个熔渣颗粒的空气冷却相变模型,获得了多颗粒间的速度场和温度场分布、颗粒内部固液界面移动规律和换热特性,研究了颗粒直径,颗粒间距,空气速度和初始熔渣温度对熔渣颗粒冷却相变的影响;建立了旋转熔渣颗粒的空气冷却相变模型,获得了旋转熔渣颗粒在空气冷却条件下形态变化、换热与凝固特性,讨论了旋转速度、颗粒尺寸等参数对旋转颗粒熔渣空冷相变换热的影响。主要研究成果如下:
　　①针对单颗粒熔渣,空气能使熔渣颗粒表面快速凝固成型,空气绕流流场的改变和物相导热能力的变化造成颗粒内部发生不均匀凝固。熔渣颗粒直径越小,完全凝固时间越短;空气流速越大,熔渣颗粒表面换热越强,凝固时间明显缩短,但该强化效果逐渐减弱。进口空气温度对熔渣颗粒凝固过程影响很小,提高熔渣初始温度无法提高余热回收率,却会明显延长完全凝固时间,要求更大的余热回收装置。
　　②多熔渣颗粒系统中,颗粒的分布对各颗粒周围的空气速度场产生影响,回流对上游颗粒换热有强化作用,上游颗粒换热对空气的加热作用不利于下游颗粒的换热。直径大的颗粒对其他颗粒影响更大,直径小的颗粒影响较小。空气流速越大时,颗粒间的互相影响更大。颗粒间距越小,其互相影响越明显,总体的凝固速度下降。颗粒间距过小对熔渣余热回收是不利的。更高的熔渣初始温度情况下,更容易发生颗粒的相聚。
　　③针对有旋转速度熔渣颗粒,空气流动受到颗粒更大的影响,特别是颗粒的表面100°到135°处的空气回流更加明显,颗粒冷却更快。旋转速度越大,颗粒的变形越明显,与空气的换热更强,完全凝固时间更短。熔渣颗粒直径越小,完全凝固时间越短,表面平均换热系数越大。
　　④设计熔渣余热回收系统时需要综合考虑熔渣颗粒运行分布形式,颗粒直径,颗粒间距,空气速度和初始熔渣温度的影响,优化设计内部空间。