链篦机鼓风干燥段球团干燥过程分析及热能匹配研究

作     者：史玉坤 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张西良

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0806[工学-冶金工程] 080601[工学-冶金物理化学] 

主      题：球团链篦机 干燥过程 数值模拟 热能匹配 

摘      要：球团矿强度好,生产率高,生产能耗低,在钢铁冶炼中应用广泛。链篦机是球团矿干燥预热、提升强度的重要设备,生球在链篦机鼓风干燥段上的干燥状况直接影响球团生产的质量和产量。本文以链篦机鼓风干燥段中球团干燥过程为研究对象,基于理论分析、数值模拟和试验验证的方法,揭示球团干燥速率及破裂率的变化规律,探索鼓风干燥段热能匹配,强化鼓风干燥段球团的干燥效果并提升热能利用率。本文主要研究内容和结论包括:(1)基于传热学、多孔介质理论和球团干燥过程水分迁移机理,结合球团内部导热、气固对流换热、球团干燥过程中水分析出、气流流动、球团在蒸汽压力作用下破裂等因素,在合理假设的基础上建立了鼓风干燥段球团干燥过程数学模型,包括气相和固相的控制方程,球团料层的干燥速率及破裂率模型。(2)基于相似原理建立链篦机鼓风干燥段物理模型,进行区域的离散化。基于FLUENT-EDEM耦合接口,分别利用UDF和API定义方程的源项以及球团的湿度和干燥速率属性,采用基于欧拉-拉格朗日模型的CFD-DEM数值模拟方法仿真球团的干燥过程,得到了链篦机鼓风干燥段的温度分布特征以及球团的干燥速率和破裂率的变化规律:鼓风干燥段篦床行走方向及高度方向都存在升高的温度梯度以及下降的湿度梯度;球团料层的总体干燥速率呈波动上升的趋势,部分球团会穿过表面干燥阶段进入内部干燥阶段;根据选用的球团原料及设定的热工参数,球团料层整体的破裂率低于10%,球团破裂主要在穿过表面干燥进入内部干燥后,球团内部蒸汽压力大于张力强度将导致破裂。(3)探索了鼓风干燥段热能匹配。建立了鼓风干燥段的热能匹配模型,通过改变入口气流温度、速度、料层厚度、链篦机篦床运行速度,采用正交试验方法进行数值模拟,选用综合平衡法进行结果分析,结果表明:在球团原料确定的条件下,影响球团破裂率的主要因素顺序是入口气流温度、料层厚度、入口气流速度和链篦机篦床运行速度;影响热能使用效率的主要因素顺序是入口气流温度、料层厚度、链篦机篦床运行速度和入口气流速度;鼓风干燥段的较优热能供给参数为入口气流温度473K,入口气流速度1.45m/s,链篦机篦床运行速度0.04m/s,料层厚度50mm。(4)研制了鼓风干燥段球团干燥过程试验平台,设计了试验方案,开展了鼓风干燥段球团干燥过程及热能匹配试验。结果表明:数值模拟与试验的气体温度误差最大为8.66%,球团湿度和破裂率的最大误差为9.3%,热能匹配后的热能利用率提高了5.3%,验证了所建立的鼓风干燥段数学模型及数值模拟方法的合理性。