DO10.13374斤.iss00153x.20l.03.018 第33卷第3期 北京科技大学学报 Vo133 No 3 2011年3月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Mar 2011 高温烧结矿气一固换热过程数值模拟及参数分析 张欣温治楼国锋刘训良 郑坤灿 北京科技大学机械工程学院.北京100083 区通信作者，E-ma!wm@meus6ed山cn 摘要在详细分析了高温烧结矿冷却过程传热机理的基础上，根据能量守恒定律建立了高温烧结矿气固换热过程的一维 非稳态热过程数学模型，并利用现场实测数据对所建立的数学模型进行了验证.结果表明：所建立的数学模型是正确可信的. 在此基础上，重点研究了冷风风速和台车移动速度等主要热工参数对环冷机内冷却过程的影响，并针对某环冷机的实际生产 情况提出了具体的操作建议. 关键词烧结矿；冷却：传热；数学模型：数值分析 分类号TK124 Numerical simulaton and param eters analysis on the gas solid heat transfer process of high temperature sin ter ZHANG Xn WEN Zh IU Guo feng LIU Xun lang ZHENG Kun can Sclpol ofMechanical Engineering University of Science and Techokgy Beijing Beijng 100083 China Comepanding author Email wen@me ust edu cn ABSTRACT Based on carefully analyzng he heat transferm echanism of the coolng pocess of h gh tm peraure sinter a onedi m esimnal unsteady mathematicalmodelwas established fr the gas sold heat transfer pocess of h gh tm peraure sinter accord ng p energy conservatpn Them athematicalmodel was verified p be comect and reliab e by eal dat Lastl the modelwas used to investi gate the efects ofm ain operation param eters such as the vepcity of coolng air and he moving speed of he trolley on he cooling process of he anu lar cooler ad some proposals were put forward for operatons of he annu lar coolr KEY WORDS sinter coolng heat transfer mathematicalmodels nuerical analsis 近几年随着钢铁行业的迅速发展，我国已成为 行计算，最后依据烧结余热回收原理提出对环冷机 世界钢铁生产大国.钢铁产业是一个高耗能、高污 的改造列；孙志斌以某环冷机为研究对象利用 染的产业，据统计，烧结工序的能耗约占整个钢 Fue嗽件对环冷机内的流动、传热等进行数值模 铁企业能耗的10%，是仅次于炼铁的第二大耗能工 拟得到了环冷机内流场、温度场和压力分布等： 序.在烧结工序中约有50%的热能被烧结烟气和冷 J等通过数值模拟和实验方法研究了烧结矿冷却 却机废气带走（其中烧结机主烟道烟气余热占烧结 过程中三维非稳态流体流动与传热问题，详细分析 工序能耗的13%~23%、冷却机（包括环冷机和带 了孔隙率和颗粒当量直径对数的影响，并提出 冷机等)废气余热占烧结工序能耗的1%~35%)， 了适合其模拟对象的N数经验公式I;Caputo等 这样不仅浪费了大量的高温烟气余热，同时也对环 通过移动床进行热量回收的动态仿真瞬态建模，利 境造成了污染.冷却机作为影响整个工艺系统热效 用VS加计算机数值仿真语言环境开发了仿真软 率的关键设备之一，国内外的研究者对此做了较多 件，并在烧结矿冷却机上证明了其可行性6-.前面 研究.陈春霞将某一环冷机按时间划分单元，以环 的研究主要分为两类情况：一类基于连续介质假设， 冷机每分钟处理的烧结矿作为一个单元，并将各单 采用三维多孔介质模型，利用CD等商业软件研究 元视为逆流式换热器模型，再利用传热单元数法进 其内部流动换热机理：另一类则采用过于简化的热 收稿日期：2010-05-25
第 33卷 第 3期 2011年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.3 Mar.2011 高温烧结矿气 -固换热过程数值模拟及参数分析 张 欣 温 治 楼国锋 刘训良 郑坤灿 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 通信作者, E-mail:wenzhi@me.ustb.edu.cn 摘 要 在详细分析了高温烧结矿冷却过程传热机理的基础上, 根据能量守恒定律建立了高温烧结矿气--固换热过程的一维 非稳态热过程数学模型, 并利用现场实测数据对所建立的数学模型进行了验证.结果表明:所建立的数学模型是正确可信的. 在此基础上, 重点研究了冷风风速和台车移动速度等主要热工参数对环冷机内冷却过程的影响, 并针对某环冷机的实际生产 情况提出了具体的操作建议. 关键词 烧结矿;冷却;传热 ;数学模型;数值分析 分类号 TK124 Numericalsimulationandparametersanalysisonthegas-solid heattransferprocessofhightemperaturesinter ZHANGXin, WENZhi , LOUGuo-feng, LIUXun-liang, ZHENGKun-can SchoolofMechanicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:wenzhi@me.ustb.edu.cn ABSTRACT Basedoncarefullyanalyzingtheheattransfermechanismofthecoolingprocessofhightemperaturesinter, aone-dimensionalunsteadymathematicalmodelwasestablishedforthegas-solidheattransferprocessofhightemperaturesinteraccordingto energyconservation.Themathematicalmodelwasverifiedtobecorrectandreliablebyrealdata.Lastly, themodelwasusedtoinvestigatetheeffectsofmainoperationparameterssuchasthevelocityofcoolingairandthemovingspeedofthetrolleyonthecooling processoftheannularcooler, andsomeproposalswereputforwardforoperationsoftheannularcooler. KEYWORDS sinter;cooling;heattransfer;mathematicalmodels;numericalanalysis 收稿日期:2010--05--25 近几年随着钢铁行业的迅速发展, 我国已成为 世界钢铁生产大国.钢铁产业是一个高耗能 、高污 染的产业, 据统计 [ 1--2] , 烧结工序的能耗约占整个钢 铁企业能耗的 10%, 是仅次于炼铁的第二大耗能工 序 .在烧结工序中约有 50%的热能被烧结烟气和冷 却机废气带走 (其中烧结机主烟道烟气余热占烧结 工序能耗的 13% ～ 23%、冷却机 (包括环冷机和带 冷机等 )废气余热占烧结工序能耗的 19% ～ 35%), 这样不仅浪费了大量的高温烟气余热, 同时也对环 境造成了污染.冷却机作为影响整个工艺系统热效 率的关键设备之一, 国内外的研究者对此做了较多 研究.陈春霞将某一环冷机按时间划分单元, 以环 冷机每分钟处理的烧结矿作为一个单元, 并将各单 元视为逆流式换热器模型, 再利用传热单元数法进 行计算, 最后依据烧结余热回收原理提出对环冷机 的改造 [ 3] ;孙志斌以某环冷机为研究对象, 利用 Fluent软件对环冷机内的流动 、传热等进行数值模 拟, 得到了环冷机内流场 、温度场和压力分布等 [ 4] ; Jang等通过数值模拟和实验方法研究了烧结矿冷却 过程中三维非稳态流体流动与传热问题, 详细分析 了孔隙率和颗粒当量直径对 Nu数的影响, 并提出 了适合其模拟对象的 Nu数经验公式 [ 5] ;Caputo等 通过移动床进行热量回收的动态仿真瞬态建模, 利 用 VisSim计算机数值仿真语言环境开发了仿真软 件, 并在烧结矿冷却机上证明了其可行性 [ 6--7] .前面 的研究主要分为两类情况:一类基于连续介质假设, 采用三维多孔介质模型, 利用 CFD等商业软件研究 其内部流动换热机理 ;另一类则采用过于简化的热 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2011 .03 .018
。340 北京科技大学学报 第33卷 平衡模型，对工程应用精度较低，难以适应目前余热 梯级利用的更高要求.因此，本文通过对环冷机内 烧结矿冷却机理的研究，认为其冷却过程可以采用 基于连续介质假设的一维非稳态传热过程数学模 型.该模型应用在某公司的环冷机上，模拟结果表 明模型假设合理且精度较高，能够满足工程应用的 要求.在此基础上，本文还对该环冷机的工艺参数 人AAAA 进行了分析，提出了工艺参数合理的操作建议. 1高温烧结矿气固换热过程物理数学模型 气体 1.1基本假设 图2物理模型 Fg 2 Physical configumtin 考虑到实际问题比较复杂，在建立数学模型前 特对环冷机系统作如下假设⑧：(1)整个冷却机 diW入ggadⅡg)+SaTm一Tg) (1) 系统的运转状态稳定，冷却机内物料分布均匀：(2) (2)固体控制方程. 高温烧结矿近似认为是大小不一的球形颗粒，与气 (I-t)0CT+dNoG0-T)= 体之间的传热为稳态：(3)环冷机内的高温烧结矿 水平运动，无沉降，气流垂直向上运动：(4)环冷机 diY am gradI)+Swa(T-T)(2) 内部沿长度和宽度方向的导热可忽略不计：(5)空 式中：eb为孔隙率；Pg为气体密度，kgm;t为时 气与高温烧结矿间的相对速度为空气速度；(6)忽 间，§C为气体比热容，于kg·℃；S为单位体 略热弥散和气相导热， 积内的换热面积i·m;入和入m分别为气体和 1.2物理模型 固体热导率Wm。℃：g和m分别为气体和 环冷机的三维渲染图见图1在上述假设条件 固体的温度，℃，ωg和m分别为气体和固体的表 下，高温烧结矿冷却过程的物理模型见图2高温烧 观速度，ms:a为综合换热系数，Wm2.℃-；pm 结矿水平运动，冷却风垂直向上运动，它们之间主要 为固体密度，k。m;Gm为固体比热容，小 通过对流方式换热，使烧结矿温度降低，达到冷却的 kg1。℃-1 效果，同时冷却风由于吸收热量温度升高，被再次 由于环冷机的台车宽度较宽，一般为3~4四 利用. 台车宽度方向上烧结矿温差较小，可忽略其沿台车 宽度方向上的换热，现场测试也证实了这一假设 另外，沿烧结矿运动方向（防向）上，可以用时间维 来代替有效冷却长度.因此，根据上述假设，高温烧 结矿冷却过程其控制方程可用一维非稳态传热过程 数学模型来描述1☑ (3)气体控制方程. EbOg- GCp.T)-S-a(-) 3) (4)固体控制方程 图1某环冷机示意图 Fg 1 Schematic digrm of an annujar cooker (1-tN@YGE)_ 1.3数学模型 +Swa(T-T) (4) 根据能量守恒原理，高温烧结矿冷却过程其三 维非稳态传热过程数学模型如下10 式中，为料层高度方向上的坐标，四 (1)气体控制方程. 孔隙率eb采用萨斯科夫和洛别斯卡娅提出 qGT)+diN:Ca0rT)= 的经验公式计算，见下式： eb=0.0005×(15.5月+1L.33+9.1号+
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 平衡模型, 对工程应用精度较低, 难以适应目前余热 梯级利用的更高要求.因此, 本文通过对环冷机内 烧结矿冷却机理的研究, 认为其冷却过程可以采用 基于连续介质假设的一维非稳态传热过程数学模 型 .该模型应用在某公司的环冷机上, 模拟结果表 明模型假设合理且精度较高, 能够满足工程应用的 要求.在此基础上, 本文还对该环冷机的工艺参数 进行了分析, 提出了工艺参数合理的操作建议 . 1 高温烧结矿气 --固换热过程物理数学模型 1.1 基本假设 考虑到实际问题比较复杂, 在建立数学模型前 特对环冷机系统作如下假设 [ 8--9] :( 1) 整个冷却机 系统的运转状态稳定, 冷却机内物料分布均匀;( 2) 高温烧结矿近似认为是大小不一的球形颗粒, 与气 体之间的传热为稳态;( 3) 环冷机内的高温烧结矿 水平运动, 无沉降, 气流垂直向上运动;( 4) 环冷机 内部沿长度和宽度方向的导热可忽略不计 ;( 5) 空 气与高温烧结矿间的相对速度为空气速度 ;( 6)忽 略热弥散和气相导热 . 1.2 物理模型 环冷机的三维渲染图见图 1.在上述假设条件 下, 高温烧结矿冷却过程的物理模型见图 2.高温烧 结矿水平运动, 冷却风垂直向上运动, 它们之间主要 通过对流方式换热, 使烧结矿温度降低, 达到冷却的 效果, 同时冷却风由于吸收热量温度升高, 被再次 利用. 图 1 某环冷机示意图 Fig.1 Schematicdiagramofanannularcooler 1.3 数学模型 根据能量守恒原理, 高温烧结矿冷却过程其三 维非稳态传热过程数学模型如下 [ 10] . ( 1) 气体控制方程. εbρg ( CgTg) τ +div( ωg, yCgρgTg) = 图 2 物理模型 Fig.2 Physicalconfiguration div(λggradTg) +Spvα(Tm -Tg) ( 1) ( 2) 固体控制方程 . ( 1 -εb)ρm (CmTm) τ +div(ωmCmρmTm ) = div( λmgradTm) +Spvα( Tg -Tm ) ( 2) 式中 :εb为孔隙率;ρg为气体密度, kg·m -3;τ为时 间, s;Cg为气体比热容, J·kg -1 ·℃ -1;Spv为单位体 积内的换热面积, m 2 ·m -3 ;λg和 λm 分别为气体和 固体热导率, W·m -1 ·℃ -1;Tg和 Tm 分别为气体和 固体的温度, ℃;ωg, y和 ωm 分别为气体和固体的表 观速度, m·s -1;α为综合换热系数, W·m -2 ·℃ -1 ;ρm 为固 体密 度, kg· m -3;Cm 为 固体 比 热 容, J· kg -1 ·℃ -1 . 由于环冷机的台车宽度较宽, 一般为 3 ～ 4 m, 台车宽度方向上烧结矿温差较小, 可忽略其沿台车 宽度方向上的换热, 现场测试也证实了这一假设. 另外, 沿烧结矿运动方向 ( x方向 )上, 可以用时间维 来代替有效冷却长度.因此, 根据上述假设, 高温烧 结矿冷却过程其控制方程可用一维非稳态传热过程 数学模型来描述 [ 7, 11--12] . ( 3) 气体控制方程 . εbρg ( CgTg) τ + y ( ωg, yCgρgTg) =Spvα(Tm -Tg) ( 3) ( 4) 固体控制方程 . ( 1 -εb) ρm (CmTm ) τ = y λm Tm y +Spvα( Tg -Tm ) ( 4) 式中, y为料层高度方向上的坐标, m. 孔隙率 εb采用萨斯科夫和洛别斯卡娅 [ 13] 提出 的经验公式计算, 见下式 : εb =0.000 5 ×( 15.5a1 +11.3a2 +9.1a3 + · 340·
第3期 张欣等：高温烧结矿气固换热过程数值模拟及参数分析 ·341° 7.64十6.7号十6.38) (5) 式中，~为筛级组成相应的当量直径分别大于 80、80~60.60~40.40-25.25~10和10~0m四 1.4定解条件 (1)初始条件.τ=0时，T==在烧 结矿落入环冷机入口处，假设此时高度方向上固体 温度为烧结矿落入环冷机的初始温度，气体温度为 环境温度 (2)边界条件.=0时，=T在环冷机底 部进口，空气温度为环境温度 1.5数值计算方法 本文采用外节点法对计算区域进行离散化，如 图3所示在方向上共划分150个节点，在方向 图3网格划分 上设置△上1，s共5217个节点.利用有限差分技 Fg3Meh安neration 术，将控制方程转化为各个离散节点的代数方程组， 根据定解条件，采用DMA法和迭代法求出空间离 2数学模型的实验验证 散点上高温烧结矿和气体温度随时间的变化规律 在进行气体迭代计算时，当满足本次计算与上一次 数学模型计算结果的正确与否必须经过实验验 计算相对误差小于001%时迭代结束.本文通过计 证，本文根据某公司烧结厂的现场实际生产数据对 算，在0.01四△≤1时，在增加网格数量（如 环冷机内烧结矿冷却过程进行了数值计算，并与现 加密50%)和减小时间步长（如缩短50%）时，其计 场实测数据进行了对比分析.表1为模型计算所用 算结果相对误差均小于0.1%，可认为在该条件下 的主要参数，表2为模型计算结果和烧结矿上表面 获得的为网格无关解. 实测温度的对比.从表2可以看出，烧结矿上表面 表1计算中环冷机的主要参数 TableI Main parame ters of the amulr oooer used n the calolation 环冷机 台车 有效冷却 布料层环冷机产量/台车移动速度/鼓风机额定流量/烧结矿进 冷却空气 参量 中径m 宽度/m 面积m 厚度m (1) (m mim1) (m-r1) 口温度℃ 温度℃ 具体数据 42 35 396 1.2 570 484000 650 10 表2烧结矿上表面实测温度和模型计算结果的对比 的模型计算温度和实测温度规律吻合得很好，最大 Tab le 2 Comparison of com puted and m easured sinter temperatures on 相对误差为47%.表明所建模型是正确可信的， the upper surface 可以利用该模型进行数值计算 距入料口 现场实 模型计 绝对 相对 位置m 测值心 算值℃ 误差/℃ 误差% 3数值模拟结果及其参数分析 010 650 649 1 015 利用验证后的数学模型，本文对冷却风风速、台 13.80 532 545 13 244 3864 374 车移动速度、高温烧结矿颗粒粒径和孔隙率等单因 370 4 1.07 55.20 297 285 12 4.04 素的变化对高温烧结矿冷却过程的影响程度进行了 602 254 255 ’ 039 数值计算 69.00 231 221 10 433 3.1数值计算结果及其分析 85.56 160 162 2 1.25 图4中得到的是烧结矿上表面温度沿环冷机周 9384 146 139 7 479 向方向上的变化规律.从图中可以看出，随着离烧 10212 117 119 1.71 结矿下料口距离的增大，烧结矿上表面温度逐渐降 107.64 105 107 2 1.90 12000 82 85 低，这是因为烧结矿在跟台车移动过程中一直被冷 3 366 却风冷却，到冷却终点处其温度低于150℃这与烧
第 3期 张 欣等:高温烧结矿气--固换热过程数值模拟及参数分析 7.6a4 +6.7a5 +6.3a6 ) ( 5) 式中, a1 ～ a6为筛级组成, 相应的当量直径分别大于 80、80 ～ 60、60 ～ 40、40 ～ 25、25 ～ 10和 10 ～ 0 mm. 1.4 定解条件 ( 1) 初始条件.τ=0时, Tm =T 0 m, Tg =T 0 g.在烧 结矿落入环冷机入口处, 假设此时高度方向上固体 温度为烧结矿落入环冷机的初始温度, 气体温度为 环境温度. ( 2) 边界条件 .y=0时, Tg =T′g.在环冷机底 部进口, 空气温度为环境温度. 1.5 数值计算方法 本文采用外节点法对计算区域进行离散化, 如 图 3所示, 在 y方向上共划分 150个节点, 在 x方向 上设置 Δt=1 s, 共 5 217个节点.利用有限差分技 术, 将控制方程转化为各个离散节点的代数方程组, 根据定解条件, 采用 TDMA法和迭代法求出空间离 散点上高温烧结矿和气体温度随时间的变化规律 . 在进行气体迭代计算时, 当满足本次计算与上一次 计算相对误差小于 0.01%时迭代结束.本文通过计 算, 在 y′≤0.01 m, Δt≤1 s时, 在增加网格数量 (如 加密 50%)和减小时间步长 (如缩短 50%)时, 其计 算结果相对误差均小于 0.1%, 可认为在该条件下 获得的为网格无关解 . 图 3 网格划分 Fig.3 Meshgeneration 2 数学模型的实验验证 数学模型计算结果的正确与否必须经过实验验 证, 本文根据某公司烧结厂的现场实际生产数据对 环冷机内烧结矿冷却过程进行了数值计算, 并与现 场实测数据进行了对比分析 .表 1为模型计算所用 的主要参数, 表 2为模型计算结果和烧结矿上表面 实测温度的对比 .从表 2可以看出, 烧结矿上表面 表 1 计算中环冷机的主要参数 Table1 Mainparametersoftheannularcoolerusedinthecalculation 参量 环冷机 中径 /m 台车 宽度 /m 有效冷却 面积 /m2 布料层 厚度 /m 环冷机产量 / ( t·h-1 ) 台车移动速度 / ( m·min-1 ) 鼓风机额定流量/ ( m3·h-1 ) 烧结矿进 口温度 /℃ 冷却空气 温度 /℃ 具体数据 42 3.5 396 1.2 570 2 484 000 650 10 表 2 烧结矿上表面实测温度和模型计算结果的对比 Table2 Comparisonofcomputedandmeasuredsintertemperatureson theuppersurface 距入料口 位置 /m 现场实 测值 /℃ 模型计 算值 /℃ 绝对 误差 /℃ 相对 误差 /% 0.10 650 649 1 0.15 13.80 532 545 13 2.44 38.64 374 370 4 1.07 55.20 297 285 12 4.04 60.72 254 255 1 0.39 69.00 231 221 10 4.33 85.56 160 162 2 1.25 93.84 146 139 7 4.79 102.12 117 119 2 1.71 107.64 105 107 2 1.90 120.00 82 85 3 3.66 的模型计算温度和实测温度规律吻合得很好, 最大 相对误差为 4.79%.表明所建模型是正确可信的, 可以利用该模型进行数值计算. 3 数值模拟结果及其参数分析 利用验证后的数学模型, 本文对冷却风风速 、台 车移动速度、高温烧结矿颗粒粒径和孔隙率等单因 素的变化对高温烧结矿冷却过程的影响程度进行了 数值计算 . 3.1 数值计算结果及其分析 图 4中得到的是烧结矿上表面温度沿环冷机周 向方向上的变化规律 .从图中可以看出, 随着离烧 结矿下料口距离的增大, 烧结矿上表面温度逐渐降 低, 这是因为烧结矿在跟台车移动过程中一直被冷 却风冷却, 到冷却终点处其温度低于 150 ℃, 这与烧 · 341·
。342 北京科技大学学报 第33卷 800- 结矿冷却规律相符. 图5显示烧结矿上表面处风温和风速沿环冷机 之6 周向方向上的变化规律.从图5（和图5(b中可 以看出，随着离烧结矿下料口距离的增大烧结矿上 400 表面处的风温和风速都逐渐降低.其原因是冷却风 200 通过与烧结矿换热，使烧结矿温度降低而自身温度 升高，图4中显示烧结矿温度逐渐降低所带显热 20406080100120 少，故冷却风风温逐渐降低：在初始标态风速相同的 距人料口距离/m 情况下，烧结矿上表面处实际风速由风温决定，风温 图4烧结矿上表面温度沿环冷机周向方向上的变化 逐渐降低，故风速逐渐降低. Fg 4 Change of sinter temperature on the upper surface a bng the circum ferential direction of the anmular cooler h 500 3.0 题400叶 25 1.5 0 20 406080100120 20406080100120 距入料口距离m 距人料口距离/m 图5烧结矿上表面处风温（号和风速（沿环冷机周向方向上的变化 Fg5 Changes of air tmperate(a and air vepcity(b on the upper surfce apng the ciram ferential direction of the annulr cooler 3.2操作参数对高温烧结矿冷却过程的影响 180r 3.21冷却风风速对高温烧结矿冷却过程的影响 160 从图6和图7可以看出：随着冷却风风速的增 140 大，烧结矿出口温度呈下降趋势：150℃对应的等温 线提前，靠近入料口处.这是因为冷却风与烧结矿 主要通过对流方式换热风速增大时，它们之间的换 100H 热效果增强，即熟料冷却效果更好，使150℃对应的 80 等温线提前，即烧结矿出口温度下降.在实际生产 0.8 0.91.01.11.21314 冷却风风速m) 时，烧结矿出口温度一般控制在150℃以下，从图6 看出风速应控制在09ms以上；现场的环冷机由 图6冷却风风速对烧结矿出口温度的影响 Fg 6 Effect of the vepcity of coolng air on the outlet temper 五台相同性能的鼓风机并联供风，每台鼓风机的最 aue of sinter 大风量是484000m。F,当时只开四台鼓风机，故 最大风速为1.358ms!,取冷却风量有效系数为 产量下料层变薄会导致其冷却效果增强.从模拟结 90%,可得到风速为1.2m1.因此冷却风风速 果可知前者是主要的，即随着台车移动速度的增大， 宜控制在0.9~1.2ms 其冷却效果下降，从而使150℃对应的等温线后移， 3.22台车移动速度对高温烧结矿冷却过程的 即烧结矿出口温度升高.在实际生产时，烧结矿出 影响 口温度一般控制在150℃以下，从图8看出台车移 从图8和图9可以看出：随着台车移动速度的 动速度应控制在0028ms'以下；当台车移动速度 增大，烧结矿出口温度升高：150℃对应的等温线后 减小时，同样产量下料层会升高，现场环冷机的台车 移，靠近出料口处.这是因为台车移动速度增加后， 高度为1.5四烧结矿料层高度不能超过它，故存在 导致物料被冷却的时间减少，冷却效果下降：在同样 最小台车移动速度，图9中的四个图中的轴表示
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 4 烧结矿上表面温度沿环冷机周向方向上的变化 Fig.4 Changeofsintertemperatureontheuppersurfacealongthecircumferentialdirectionoftheannularcooler 结矿冷却规律相符 . 图 5显示烧结矿上表面处风温和风速沿环冷机 周向方向上的变化规律 .从图 5(a)和图 5( b)中可 以看出, 随着离烧结矿下料口距离的增大, 烧结矿上 表面处的风温和风速都逐渐降低 .其原因是冷却风 通过与烧结矿换热, 使烧结矿温度降低而自身温度 升高, 图 4中显示烧结矿温度逐渐降低, 所带显热 少, 故冷却风风温逐渐降低;在初始标态风速相同的 情况下, 烧结矿上表面处实际风速由风温决定, 风温 逐渐降低, 故风速逐渐降低. 图 5 烧结矿上表面处风温 ( a)和风速 ( b)沿环冷机周向方向上的变化 Fig.5 Changesofairtemperature(a) andairvelocity( b) ontheuppersurfacealongthecircumferentialdirectionoftheannularcooler 3.2 操作参数对高温烧结矿冷却过程的影响 3.2.1 冷却风风速对高温烧结矿冷却过程的影响 从图 6和图 7 可以看出:随着冷却风风速的增 大, 烧结矿出口温度呈下降趋势 ;150 ℃对应的等温 线提前, 靠近入料口处.这是因为冷却风与烧结矿 主要通过对流方式换热, 风速增大时, 它们之间的换 热效果增强, 即熟料冷却效果更好, 使 150 ℃对应的 等温线提前, 即烧结矿出口温度下降.在实际生产 时, 烧结矿出口温度一般控制在 150 ℃以下, 从图 6 看出风速应控制在 0.9 m·s -1以上 ;现场的环冷机由 五台相同性能的鼓风机并联供风, 每台鼓风机的最 大风量是 484 000 m 3 ·h -1 , 当时只开四台鼓风机, 故 最大风速为 1.358 m·s -1 , 取冷却风量有效系数为 90%, 可得到风速为 1.2 m·s -1.因此, 冷却风风速 宜控制在 0.9 ～ 1.2 m·s -1 . 3.2.2 台车移动速度对高温烧结矿冷却过程的 影响 从图 8和图 9 可以看出:随着台车移动速度的 增大, 烧结矿出口温度升高;150 ℃对应的等温线后 移, 靠近出料口处 .这是因为台车移动速度增加后, 导致物料被冷却的时间减少, 冷却效果下降;在同样 图 6 冷却风风速对烧结矿出口温度的影响 Fig.6 Effectofthevelocityofcoolingairontheoutlettemperatureofsinter 产量下料层变薄会导致其冷却效果增强 .从模拟结 果可知前者是主要的, 即随着台车移动速度的增大, 其冷却效果下降, 从而使 150 ℃对应的等温线后移, 即烧结矿出口温度升高 .在实际生产时, 烧结矿出 口温度一般控制在 150 ℃以下, 从图 8看出台车移 动速度应控制在 0.028 m·s -1以下;当台车移动速度 减小时, 同样产量下料层会升高, 现场环冷机的台车 高度为 1.5 m, 烧结矿料层高度不能超过它, 故存在 最小台车移动速度, 图 9中的四个图中的 y轴表示 · 342·
第3期 张欣等：高温烧结矿气固换热过程数值模拟及参数分析 343 1.s 650 (a 650 12 1.2 550 550 450 三09 450 350 三0.9 350 150 250 250 ￥0.6 20 40 80 100 120 0 20 40 80 100120 距人料口距离m 距人料口距离m 5 650 d 650 12 550 1.2 550 450 450 三09 350 350 三09 250 250 0.6 50 06 03 50 20 40 80 100 120 20 80100120 距入料口距离细 距入料口距离m 图7不同冷却风风速时的床层内熟料等温线分布（单位：℃）.（号080m(Q90m-:(91.5m:(d1.20m~1 F7 Isothem distribution nc of sinter n the bed at differentvebcities of cooling air (a 080 m (b 0.90m(9 1.05 m (d 1.20m1 的是对应不同台车移动速度时的料层高度，由台车 150©时对应的冷却风风速和台车移动速度关系 高度可知料层最高为1.5四此时对应的台车移动 图.从图6~图9所示规律可知，在该条曲线以下的 速度为0.023ms,为最小速度.因此，台车移动 任意冷却风风速和台车移动速度的组合，都可以使 速度控制在0.023~0028ms'比较合适. 烧结矿出口最高温度低于150℃符合工程实际要 求.根据前面的分析可知，在该曲线和虚线组成的 160 空间内的任意冷却风风速和台车移动速度的组合都 能满足工程实际要求. 3.3颗粒粒径及其堆积状态对高温烧结矿冷却过 程的影响 3.3.1高温烧结矿粒径对高温烧结矿冷却过程的 影响 110 从图11可以看出，随着颗粒粒径的增大烧结 19620 0.0220.0240.0260.0280.030 矿出口温度升高.这是因为高温烧结矿与冷却风主 台车移动速度八m山 要通过对流换热，随着颗粒粒径的增大，其比表面积 图8台车移动速度对烧结矿出口温度的影响 减小，对流换热量降低导致换热效果下降，从而使 Fg8 Effect of the trolley smoving speed on the autet som. 烧结矿出口温度升高. perature of siner 3.3.2高温烧结矿孔隙率对高温烧结矿冷却过程 的影响 图10显示的是当烧结矿出口最高温度设定为 从图12可以看出，随着孔隙率的增大，烧结矿
第 3期 张 欣等:高温烧结矿气--固换热过程数值模拟及参数分析 图 7 不同冷却风风速时的床层内熟料等温线分布 (单位:℃).( a) 0.80m·s-1;( b) 0.90m·s-1 ;(c) 1.05m·s-1 ;( d) 1.20m·s-1 Fig.7 Isothermdistributionin℃ ofsinterinthebedatdifferentvelocitiesofcoolingair:( a) 0.80m·s-1 ;(b) 0.90m·s-1;( c) 1.05m·s-1;( d) 1.20m·s-1 的是对应不同台车移动速度时的料层高度, 由台车 高度可知料层最高为 1.5 m, 此时对应的台车移动 速度为 0.023 m·s -1 , 为最小速度.因此, 台车移动 速度控制在 0.023 ～ 0.028 m·s -1比较合适 . 图 8 台车移动速度对烧结矿出口温度的影响 Fig.8 Effectofthetrolley' smovingspeedontheoutlettemperatureofsinter 图 10显示的是当烧结矿出口最高温度设定为 150 ℃时对应的冷却风风速和台车移动速度关系 图.从图 6 ～图 9所示规律可知, 在该条曲线以下的 任意冷却风风速和台车移动速度的组合, 都可以使 烧结矿出口最高温度低于 150 ℃, 符合工程实际要 求.根据前面的分析可知, 在该曲线和虚线组成的 空间内的任意冷却风风速和台车移动速度的组合都 能满足工程实际要求. 3.3 颗粒粒径及其堆积状态对高温烧结矿冷却过 程的影响 3.3.1 高温烧结矿粒径对高温烧结矿冷却过程的 影响 从图 11可以看出, 随着颗粒粒径的增大, 烧结 矿出口温度升高.这是因为高温烧结矿与冷却风主 要通过对流换热, 随着颗粒粒径的增大, 其比表面积 减小, 对流换热量降低, 导致换热效果下降, 从而使 烧结矿出口温度升高. 3.3.2 高温烧结矿孔隙率对高温烧结矿冷却过程 的影响 从图 12可以看出, 随着孔隙率的增大, 烧结矿 · 343·
。344 北京科技大学学报 第33卷 1.5 (a) 650 12 650 1.2 550450 550 09t 450 三0.9 350 350 250 150 250 0.3 0.3 50 50 20 40 60 80 100 120 40 80 100120 距人料口距离m 距入料口距离m .2F (c) 650 1.05F 650 550 550 0.9 450 450 三0.70 350 350 250 250 150 0.35 150 03 20 40 60 80 100120 20 40 0 80100120 距入料口距离m 距人料口距离m 图9不同台车移动速度时的床层内熟料等温线分布（单位：℃）.（号0.023m(0.26ms:(9028m(山003m~1 F Isothem distrbutin nc of the snter in the bed wih different tolley smoving speeds (a)0.023 m (b 0.(26m(9 0.28m:(4003m-1 0.030m 160r -0.028 140 30.024 120 =0.022 110 100 00248 10 1.1 1.2 90 冷却风风速ms) 36384042444648 熟料颗粒直径/mm 图10烧结矿出口温度为150℃时对应的冷却风风速和台车移动 速度关系 图11高温烧结矿颗粒粒径对烧结矿出口温度的影响 Fg 10 Rela tion beween the vepcity of cooling air and he moving Fg11 Effect of sier size on he cutlet tmperature of sinter speed of the trolley when the outlet tm perature of snter is 150C 出口温度升高.这是因为高温烧结矿与冷却风主要 降低，风速每增加0.1ms,温度降低约20℃. 通过对流方式换热，当烧结矿孔隙率增大时，其比表 (2)随着台车移动速度的增大，烧结矿出口温 面积减小，对流换热量降低导致换热效果下降，从 度升高，移动速度每增加Q02ms,温度升高约 而使烧结矿出口温度升高. 12℃. (3)随着烧结矿粒径的增大，烧结矿出口温度 4结论 升高，其粒径每增加3m四温度升高约15℃. (1)随着冷却风风速的增大，烧结矿出口温度 (4)随着烧结矿孔隙率的增大，烧结矿出口温
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 9 不同台车移动速度时的床层内熟料等温线分布 (单位:℃).( a) 0.023m·s-1;( b) 0.026m·s-1 ;(c) 0.028m·s-1 ;(d) 0.03m·s-1 Fig.9 Isothermdistributionin℃ ofthesinterinthebedwithdifferenttrolley' smovingspeeds:( a) 0.023m· s-1 ;( b) 0.026m·s-1;( c) 0.028m·s-1 ;(d) 0.03m·s-1 图 10 烧结矿出口温度为 150℃时对应的冷却风风速和台车移动 速度关系 Fig.10 Relationbetweenthevelocityofcoolingairandthemoving speedofthetrolleywhentheoutlettemperatureofsinteris150℃ 出口温度升高.这是因为高温烧结矿与冷却风主要 通过对流方式换热, 当烧结矿孔隙率增大时, 其比表 面积减小, 对流换热量降低, 导致换热效果下降, 从 而使烧结矿出口温度升高 . 4 结论 ( 1) 随着冷却风风速的增大, 烧结矿出口温度 图 11 高温烧结矿颗粒粒径对烧结矿出口温度的影响 Fig.11 Effectofsintersizeontheoutlettemperatureofsinter 降低, 风速每增加 0.1 m·s -1 , 温度降低约 20 ℃. ( 2) 随着台车移动速度的增大, 烧结矿出口温 度升高, 移动速度每增加 0.02 m·s -1 , 温度升高约 12 ℃. ( 3) 随着烧结矿粒径的增大, 烧结矿出口温度 升高, 其粒径每增加 3mm, 温度升高约 15 ℃. ( 4) 随着烧结矿孔隙率的增大, 烧结矿出口温 · 344·
第3期 张欣等：高温烧结矿气固换热过程数值模拟及参数分析 345 京科技大学，2007 160 【习Jang JY Chi知YW3-Dtmnsient conjugaed heat manser and 150- flud flov analysis for the cooling poocess of sntered bed Appl 140 Them Eng 2009 29 2895 I Capu AC CardarelliG Pekeagge PM Ana psis of heat reco ery n gas solid moving beds using a smulation appoac Appl 120 Them Eng 1996 16 89 [7 CapuA C Pehggge PM Heat recovery from moving cooling 110 beds t做ns知tmode ling by dynam ic smu lati知APPIThem Eng 0.25 0.300.350400.45 19991921 孔腺幸 [8 JnZ WenZ SiJl Reseach and aa psis of nmericalsmuk tion stm for site ring heat process Metall Ind Auton 2008 32 图2高温烧结矿孔隙率对烧结矿出口温度的影响 F 12 Efect of void fractin on the outlet temperature of siner (5:38 (金周，温治，司俊龙.烧结热过程数值仿真系统的研究与分 度升高，孔隙率每增加0.05温度升高约11℃ 析，治金自动化.200832(5)片：38) [9 Feng SH XuD I LiH etal Smulation sudy on heattranser (5)在同时满足工艺要求、现场实际情况和经 berween clnker and gas of te gmate cooler JXt an Univ Arthit 济性前提下，对所研究对象而言，冷却风风速宜控制 Techno]2007,39(2:224 在0.9~1.2ms,台车移动速度宜控制在0.023~ (冯绍航，徐德龙，李辉，等篦冷机中气固两相换热过程的模 0.028ms1. 拟研究.西安建筑科技大学学报，2007.39(2)：224) 10 SiJL Malelling of Layered Tmnsissicn Pocess in Herengee 参考文献 ous Porous Media and Its Application Dissertat on.Beijng I]Wu Y$Siterng waste heat recoveny technopgy Enegy Conserv University of Sc ience Technokgy Beijing 2009 Technol1990(4):44 (司俊龙。非均质多孔介质层状传输过程模型及应用[学位 (吴亦三.烧结机余热回收利用技术.节能技术，1990(4)： 论文].北京：北京科技大学，2009 44) [11]LongHM FanXH MaoX M eta]Sinterngbed temperaure distrbution molel based on heat transfer J Cent South Un iv Sci 【3 Wang Z P Hu X M About the sm us and deveppment trend of sinterng waste heatpower gnemtin Sinterng Pelletizing 2008 Techno]200839(3):436 33(1):31 (龙红明，范晓慧毛晓明，等。基于传热的烧结料层温度分 (任兆鹏，胡晓民。烧结余热回收发电现状及发展趋势。烧结 布模型.中南大学学报：自然科学版，20089(3)：436 球团.200833(1)：31) [12 Gorg Y B Huang D B YangT J Tempemtre feld model of ChenCX Recovery ofResidua LheatResoure n Sweel Prolucng the sinter bed and its common ana pytical solution J Uni Sci [3 Process Dissertatian.Lioning NortheastemUn iversity 2008 Technol Beijing 2002 24(4):395 陈春霞.钢铁生产过程余热资源的回收与利用[学位论文]· (龚一波，黄典冰，杨天钧.烧结料层温度分布模型解析解及 辽宁：东北大学.2008) 其统一形式.北京科技大学学报，2002244：395) I4 Sun ZB The Sudy of he Pellets Heat Pooes in Annular Cooker 13 ne6PuTem M I Dry Coke Quenching Transhted by LiZH Disseruation.Beijng University of Science and Technobgy Beijing Mem lugical hdusty Press 1981 Beijng 2007 (捷波里特斯基M工干法熄焦.李哲浩译.北京：治金工业 孙志斌.环冷机内球团热过程的研究[学位论文].北京：北 出版社，1981)
第 3期 张 欣等:高温烧结矿气--固换热过程数值模拟及参数分析 图 12 高温烧结矿孔隙率对烧结矿出口温度的影响 Fig.12 Effectofvoidfractionontheoutlettemperatureofsinter 度升高, 孔隙率每增加 0.05, 温度升高约 11 ℃. ( 5) 在同时满足工艺要求 、现场实际情况和经 济性前提下, 对所研究对象而言, 冷却风风速宜控制 在 0.9 ～ 1.2 m·s -1 , 台车移动速度宜控制在 0.023 ～ 0.028 m·s -1 . 参 考 文 献 [ 1] WuYS.Sinteringwasteheatrecoverytechnology.EnergyConserv Technol, 1990( 4) :44 (吴亦三.烧结机余热回收利用技术.节能技术, 1990 ( 4 ) : 44) [ 2] WangZP, HuXM.Aboutthestatusanddevelopmenttrendof sinteringwasteheatpowergeneration.SinteringPelletizing, 2008, 33( 1) :31 (王兆鹏, 胡晓民.烧结余热回收发电现状及发展趋势.烧结 球团, 2008, 33 ( 1) :31) [ 3] ChenCX.RecoveryofResidual-heatResourceinSteelProducing Process[ Dissertation] .Liaoning:NortheasternUniversity, 2008 (陈春霞.钢铁生产过程余热资源的回收与利用 [ 学位论文] . 辽宁:东北大学, 2008 ) [ 4] SunZB.TheStudyofthePelletsHeatProcessinAnnularCooler [ Dissertation] .Beijing:UniversityofScienceandTechnology Beijing, 2007 (孙志斌.环冷机内球团热过程的研究[ 学位论文] .北京:北 京科技大学, 2007) [ 5] JangJY, ChiuYW.3-Dtransientconjugatedheattransferand fluidflowanalysisforthecoolingprocessofsinteredbed.Appl ThermEng, 2009, 29:2895 [ 6] CaputoAC, CardarelliG, PelagaggePM.Analysisofheatrecoveryingas-solidmovingbedsusingasimulationapproach.Appl ThermEng, 1996, 16:89 [ 7] CaputoAC, PelagaggePM.Heatrecoveryfrommovingcooling beds:transientmodelingbydynamicsimulation.ApplThermEng, 1999, 19:21 [ 8] JinZ, WenZ, SiJL.Researchandanalysisofnumericalsimulationsystemforsinteringheatprocess.MetallIndAutom, 2008, 32 ( 5 ) :38 (金周, 温治, 司俊龙.烧结热过程数值仿真系统的研究与分 析, 冶金自动化, 2008, 32( 5 ) :38) [ 9] FengSH, XuDL, LiH, etal.Simulationstudyonheattransfer betweenclinkerandgasofthegratecooler.JXi' anUnivArchit Technol, 2007, 39 ( 2) :224 (冯绍航, 徐德龙, 李辉, 等.篦冷机中气固两相换热过程的模 拟研究.西安建筑科技大学学报, 2007, 39( 2) :224) [ 10] SiJL.ModellingofLayeredTransmissionProcessinHeterogeneousPorousMediaandItsApplication[ Dissertation] .Beijing: UniversityofScienceTechnologyBeijing, 2009 (司俊龙.非均质多孔介质层状传输过程模型及应用[ 学位 论文] .北京:北京科技大学, 2009) [ 11] LongHM, FanXH, MaoXM, etal.Sinteringbedtemperature distributionmodelbasedonheattransfer.JCentSouthUnivSci Technol, 2008, 39( 3) :436 (龙红明, 范晓慧, 毛晓明, 等.基于传热的烧结料层温度分 布模型.中南大学学报:自然科学版, 2008, 39 ( 3) :436) [ 12] GongYB, HuangDB, YangTJ.Temperaturefieldmodelof thesinterbedanditscommonanalyticalsolution.JUnivSci TechnolBeijing, 2002, 24 ( 4) :395 (龚一波, 黄典冰,杨天钧.烧结料层温度分布模型解析解及 其统一形式.北京科技大学学报, 2002, 24( 4) :395) [ 13] дебритстиM Γ.DryCokeQuenching.TranslatedbyLiZH. Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 1981 (捷波里特斯基 MΓ.干法熄焦.李哲浩译.北京:冶金工业 出版社, 1981) · 345·
