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球团链篦机预热段多物理场建模及热能匹配研究

球团链篦机预热段多物理场建模及热能匹配研究

引用

作者：浦舟江苏大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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链篦机鼓风干燥段球团干燥过程分析及热能匹配研究

链篦机鼓风干燥段球团干燥过程分析及热能匹配研究

引用

作者：史玉坤江苏大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：球团链篦机干燥过程数值模拟热能匹配

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