球团链篦机预热段多物理场建模及热能匹配研究

作     者：浦舟 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李伯全

授予年度：2021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 预热段 多物理场建模 数值模拟 响应面分析法 热能匹配 

摘      要：随着钢铁行业的不断发展,高炉炼铁对入炉含铁原料的质量要求不断提升。球团矿粒度均匀、便于运输和还原性好,在钢铁行业得到广泛应用。球团链篦机是对球团矿进行干燥和预热的主要热工设备之一,由干燥段和预热段组成。链篦机预热段温度场对球团的预热质量至关重要,而预热段的温度场具有非线性、大时滞性和呈空间分布的特性,且在球团预热过程中,链篦机预热段空间温度、球团料层温度及球团的氧化率等描述预热效果的关键参数难以直接测量。对此,本文从链篦机预热段多物理场数学建模出发,研究链篦机预热段温度场、气流速度场等多物理场随时间和空间的分布规律,分析链篦机预热段多物理场对球团氧化反应的影响,建立球团预热过程的热能匹配模型并优化链篦机预热段的热工参数,在提高球团氧化率的同时降低能耗,为链篦机预热段温度场控制奠定基础。本文主要的研究内容和成果如下:（1）采用从局部到整体的建模方法,对单球团氧化的传热过程和料层整体传热过程进行详细分析,基于气固耦合传热理论、多孔介质理论与氧化反应动力学理论,建立了链篦机预热段多物理场数学模型,模型包括局部热力学平衡下的单球团传热模型、局部非热力学平衡下的预热段料层气固传热过程数学模型以及球团氧化率分布的常微分方程数学模型。（2）分别建立了单球团等温氧化模拟反应器物理模型和链篦机预热段物理模型,并对其进行网格划分;利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对单球团等温氧化过程进行数值模拟,得到单球团的氧化特性,将单球团的部分模拟结果作为链篦机预热段多物理场数值模拟的输入参数,得到预热段温度场、气流速度场以及料层氧化率的数值模拟结果并进行相应分析,最终得到了单球团在不同预热条件下氧化率的变化规律,定量分析了实际工况下球团氧化反应的放热量;探明了链篦机预热段的温度场、气流速度场以及料层氧化率随时间与空间的变化规律。（3）建立了链篦机预热段热能匹配数学模型,基于响应面分析法设计并进行了热能匹配试验,分析了各因素对球团氧化率与预热段热效率的影响情况,并通过多元回归分析对链篦机预热段的热工参数进行优化,结果显示最优热工参数设置为预热II段入口风温1332.2K,预热段入口风速为1.52m/s,风箱出口压力为-786.6Pa,预热时间为662.9s,该参数下的球团氧化率为81.0%,预热段热效率为66.3%。（4）搭建了实验室规模的实验设备,设计并建立了实验数据采集与分析系统,开展了链篦机预热段多物理场模型验证实验。实验结果显示模拟值与实验值的最大误差在8%以内,验证了本文建立的链篦机预热段多物理场数学模型的正确性。