环冷机冷却过程数值仿真与优化

论文摘要

环冷机是钢铁烧结生产的重要设备,但一直以来对环冷机的热工过程缺乏系统研究和分析,以致对该系统的操作和改进主要依靠经验,缺乏相应的理论指导。因此,依据实际生产设备,建立并求解环冷机冷却过程的物理数学仿真模型,深入探索环冷机内的热工过程,获得环冷机的最优运行参数成为亟待解决的新课题。本研究以国内某钢铁厂环冷机为研究对象,以计算流体力学软件FLUENT6.3为平台,针对环冷机换热的特点,建立了环冷机换热过程求解的数学模型。采用结构化网格对计算区域进行离散,选用标准的k-ε双方程模型模拟环冷机内气体的流动,采用用户自定义函数的UDS构建多孔介质局部非热力学平衡的能量双方程模型,模拟烧结矿与空气间的换热；以提高环冷机的余热回收利用量为目标,通过正交试验的方法对影响环冷机换热过程的五个参数进行了优化,得到了最优运行参数组合。本论文的主要结论有：1)得到了环冷机内烧结矿和空气的温度分布：随着高度的增加,空气和烧结矿的温度均逐渐升高,同一高度截面上的温差不大；2)对模型计算结果与现场测试结果进行了比较,分析了误差及误差产生的原因,环冷机出口空气温度的数值仿真结果与现场测试结果的最大误差小于10%,从而验证了模型的正确性；3)通过对影响环冷机冷却过程的5个主要参数进行研究,研究表明在5-7.65m·s-1围内,增大进口风速,增加了余热的利用量,但降低了余热利用区出口空气的温度；在1.4～1.8m范围内,增加料层高度、在0.025～0.04m范围内,减小烧结矿的粒径及在0.35～0.5范围内,减小孔隙率,均能提高余热的利用量及余热利用区出口空气的温度；在404～434K范围内,提高余热利用区进口风温,能提高余热利用区出口空气的温度,但减少了余热的利用量；4)利用正交实验法,对料层高度、烧结矿粒径、进口风速、余热利用区进口风温、孔隙率进行了优化分析,这5个参数对实验结果的影响程度依主次分别为烧结矿粒径,进口风速,料层高度,孔隙率,余热利用区进口风温；环冷机运行的最优工况为：烧结矿粒径0.025m,进口风速7.65m·s-1,料层高度1.8m,孔隙率0.35,余热利用区进口风温404K。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 烧结生产概述
• 1.1.1 烧结生产的作用及意义
• 1.1.2 烧结方法和工艺流程
• 1.2 烧结矿的冷却
• 1.2.1 烧结矿冷却的目的及优点
• 1.2.2 环冷机的分类及工作过程
• 1.2.3 烧结余热利用的国内外进展
• 1.3 环冷机冷却过程的数值仿真研究进展
• 1.4 论文研究目的及意义
• 1.5 课题来源与研究方法
• 第二章 环冷机冷却过程数值仿真模型的建立
• 2.1 物理模型
• 2.1.1 环冷机冷却过程物理模型
• 2.1.2 计算区域的确定
• 2.1.3 计算区域的离散化
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 湍流气相流动模型
• 2.2.2 湍流时均控制方程组
• 2.2.3 k-ε双方程模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 环冷机冷却过程的数值模拟
• 3.1 仿真数学模型及边界条件
• 3.1.1 计算模型
• 3.1.2 边界条件和初值条件
• 3.2 速度场仿真结果及分析
• 3.3 温度场仿真结果及分析
• 3.4 数值仿真结果的验证及误差分析
• 3.4.1 结果验证
• 3.4.2 误差来源分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 单一热工参数对环冷机冷却过程的影响
• 4.1 进口风速
• 4.2 料层高度
• 4.3 烧结矿粒径
• 4.4 孔隙率
• 4.5 余热利用区进口风温
• 4.6 本章小结
• 第五章 环冷机热工参数的优化研究
• 5.1 计算工况
• 5.2 计算结果与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况
• 致谢