球团竖炉内气流运动规律的实验研究.pdf

收 稿日 期 2003-09-04 基 金项 目 国 家自然 科学 基金资 助项 目50334020;国家重 点基 础研究 发展 规划项 目2000026300 作 者简 介 董 辉1969 - ,男,辽宁黑 山人,东 北大学 讲师,博 士研究 生; 蔡 九菊1948 - ,男,辽宁 锦州人,东 北大 学教授,博 士生 导师 第25卷第5期 2 004 年 5 月 东北大学学报自然科学版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Vol.25,No . 5 May2 0 0 4 文章编号 1005-3026200405-0435-04 球 团 竖 炉 内 气 流 运 动 规 律 的 实 验 研 究 董 辉, 蔡九菊, 王国胜, 田 红 东 北大 学 国家环 境保 护生态 工业 重点实 验室, 辽宁 沈 阳 110004 摘 要 根据相似原理建立 “导风墙 - 烘干床” 式球团竖炉冷态模型实验台,根据实验数据绘 制流网图,从而判断竖炉内气流分布状况,得到竖炉操作参数对炉内气流运动的影响规律竖炉结 构参数一定,流入风量比 k 决定着气流分布当流入风量比等于临界风量比时,焙烧风和冷却风分 别全部流入焙烧带和导风墙内,此时,竖炉处于临界工况;由临界工况开始增加焙烧风或减小冷却 风,则开始有焙烧风下行进入导风墙,且 k 愈大,下行的焙烧风量愈大;由临界工况开始减小焙烧 风或增加冷却风,则开始有冷却风上行进入焙烧带,且 k 愈小,上行的冷却风量愈大;上行冷却风 和下行焙烧风中只有一种情况发生或均不发生 关 键 词 球团;竖炉;填料床;气流;压降 中图分类号 TF 061.26; TF 521 .1 文献标识码 A “导风墙 - 烘干床” 式球团竖炉简称竖炉,下 同是一种具有民族特色的球团矿焙烧设备,多年 来,在球团生产中占有重要地位随着我国钢铁产 量的逐年增长,对球团的需求量剧增,竖炉因其单 炉产量低愈发难以适应当前工业的发展,竖炉的 高效化迫在眉睫就基本原理而言,竖炉是散料床 式气固热交换装置,散料层与焙烧风和冷却风之 间的热交换均在球团料块的孔隙中进行,炉内气 流运动是影响竖炉热交换的主要方面一般而言, 竖炉内凡是气流流量较大的地方,就是热交换较 强烈、 温度较高的地方,所以,研究竖炉内各股气 流的流向、 流量及其分布等流动规律,对强化竖炉 热交换、 提高球团矿产量和质量具有十分重要的 意义国外已基本不见竖炉,而国内有关气流运动 的研究甚少且大多集中在 20 世纪 70～80 年代, 其中有关气流运动规律的研究更鲜有报道 [1] 根据冶金炉理论 [2],可通过调整结构参数和 操作参数来控制竖炉热过程流动与传热等,从 而提高竖炉的生产指标主要是利用系数,即单位 时间单位焙烧面积的成球产量 本文借鉴填料床 气体动力学 [3 ～7] ,通过冷态实验,研究竖 炉内气 流运动规律及其影响因素,着重研究操作参数对 炉内气流运动的影响 1 实验原理与装置 竖炉结构如图 1 所示,沿高度方向竖炉可分 为干燥、 预热、 焙烧、 均热和冷却 5 个工作带生球 团在烘干床上预干燥后入炉,在下降过程中首先 与炽热的焙烧风进行热交换并完成氧化焙烧反 图 1 球团竖炉结构示意图 Fig . 1 Schematic of pelletizing shaft furnacePSF 1炉罩;2烘干床;3导风墙;4球团;5火口; 6水梁;7燃烧室;8冷风口;9卸料辊 应,然后再与冷却风相遇,逐渐被冷却至卸料口排 出炉外 早在 20 世纪 50 年代陆钟武教授就将浅水动 力学中的势流理论引入到竖炉的气流运动中 [8] 描述散料层中气流运动较为权威的是 Ergun 公 式 [9 ,10] - grad p f1 f2| v |v1 式中, p 为炉内静压力,Pa / m; v 为空塔流速,m / s; f1, f2为 Ergun 阻力系数,决定于气固两相物 质的物性参数 根据 Ergun 公式,流线与等压线垂直,所以可 通过炉身静压力推算气流运动在不同的操作参 数下,测量炉身的静压力,绘制流网图 - 等压线图 和流线图并进行分析,得到竖炉内的气流运动规 律,着重研究操作参数对炉内气流运动的影响 经计算,炉内球团下行速度为 0.06～0.1 m / min,所以实验中忽略气流对球团的影响而以静 止球团代替移动球团;经测试,只有少量冷却风 5 以内下行由排料口漏出,所以忽略下行冷却 风基于如上近似,实验装置由竖炉模型、 动力和 测 量3部 分 组成参 见 图2 ,其 中 的 主 体 设 备 竖炉模型是根据相似原理,按济钢 2 号竖炉 1 ∶3～1∶5 的比例制作同以往的类似实验相比, 本实验具有如下特点首次采用几何尺寸如此之 大的竖炉模型;首次采用竖炉生产现场的球团矿; 竖炉模型的结构和操作参数可调 图 2 实验装置示意图 Fig . 2 Schematic of experimental set-up 1集气管;2,7阀门;3,6流量计;4外接风源; 5鼓风机;8取压管;9竖炉模型;10压力计 经测试,生产中炉内气流为紊流且处于第二 自模区,所以,实验时只需保证炉内气流是紊流而 不必雷诺数相等[11]据此,实验时设定的各风量 如表 1经计算,模型内气流处于紊流状态 表 1 实验设定的操作参数 Table 1 Operative parameters enacted in the experiment 工 况123i456O7895 焙烧风量/ m 3h- 1 2 7602v1802 7702 7402\2201 4602 2001B4601 460 冷却风量/ m 3h- 1 1 6501v5502 1902 6602\1701 5502 6802B2302 700 流入风量比 k1 ∶0 . 601T∶0 . 711 ∶0 . 791 ∶0 . 971∶0 .981 ∶1 .061∶1 .221 ∶ 1 .531∶ 1 . 85 表 1 中的风量是指鼓入炉内的风量标况, 取决于风机的压力和流量、 料层的孔隙率和燃烧 室的压力等其他操作参数,所以,鼓入炉内的风量 是竖炉最直接的操作参数 2 实验结果与分析 测量不同工况的炉身静压力分布,根据实验数 据,绘制不同操作参数下的流网图,如图 3 所示 2 . 1 焙烧风和冷却风的炉内分流 观察前 6 种工况的流网图 鼓入炉内的焙烧 风可分流为 2 股, 其一,上行焙烧风,从火口进入 焙烧带或斜向下进入均热带,经预热带、 烘干床排 出, 其二,下行焙烧风,从火口下行进入均热带, 经过导风墙、 烘干床排出;鼓入炉内的冷却风全部 流入冷却带,经过导风墙、 烘干床排出观察工况 7 的流网图焙烧风和冷却风分别全部流入焙烧 带和导风墙,此时,称这种工况为 “临界工况” 观 察工况 8,9 的流网图焙烧风全部流入焙烧带,鼓 入炉内的冷却风可分流为 3 股 其一,通向导风 墙,从冷风口进入冷却带,经过导风墙、 烘干床排 出; 其二,上 行冷却风,从冷风口上 行进入均 热 带,靠近导风墙侧与焙烧风混合其中,下行焙烧 风和上行冷却风最为不稳定,二者或者发生其一, 或者都不发生如上可看出,竖炉内存在 3 种气 流分流 2 . 2 操作参数对气流分布的影响 为便于论述,令流入风量比 k qV, g/ qV, a; 另令 f q′ V, g/ qV, g; m q′V , a/ qV, a其中, qV , g 为焙烧风的标况体积流量; qV, a为冷却风的标况 体积流量; q′ V, g为上行焙烧风量; q′V, a为 进入导 风墙的冷却风量可以看出, f 为上行焙烧风量占 总焙烧风量的份额, m 为进入导风墙的冷却风量 占总冷却风量的份额 观察如上 9 种工况的流网图,可发现从工况 1 到工况 9,焙烧风下行流入导风墙的趋势在逐渐 减小直至临界工况减小为 0,之后,开始有部分冷 却风上行流入焙烧带,并逐渐增大整个过程中, k 在逐渐减小,由此说明, k 对气流分布有直接影 634东北大学学报自然科学版 第 25 卷 响, k 决定气流分布 当 k k * 时 k * 为临界工况的流入风量比, 接近于工况 7,为临界工况此时,焙烧风和冷却 风分别全部流入焙烧带和导风墙, f 1, m 1; 由临界工况开始增加焙烧风量或减小冷却风量, k k * ,如前 6 种工况,此时,冷却风全部流入导 风墙,焙烧风中,开始有少量下行流入导风墙大 部分进入焙烧带参与焙烧, f 1, m 1,且焙烧 风量增加得愈多或冷却风量减小得愈多,则焙烧 风中流入导风墙的比例愈大,即 k 增加, f 也增 加;由临界工况开始减小焙烧风量或增大冷却风 量, k k * ,如工况 8,9,此时,焙烧风全部流入焙 烧带,冷却风中,开始有少量上行流入焙烧带大 部分流入导风墙, f 1, m 1,而且,冷却风量 增加得愈多或焙烧风量减小得愈多,则冷却风中 流入焙烧带的比例愈大,即 k 减小, m 减小,这往 往是生产现场遇到的工况 图 3 不同工况下的流网图 Fig . 3 mFlow-net diagrams with different operating parameters k * 与竖炉的结构参数和料层情况有关,如本 实验情况的 k * 约为 1∶1.22,经模拟济钢 2 号球 团竖炉,当火口中心线以上料层高度为 1.9 m 时, k * 约为 1 ∶0.8 2 . 3 操作参数对气流均匀性的影响 气流均匀性可分为沿竖炉高度方向和自火口 到导风墙宽度方向上的均匀性观察所有工况的 流网图,不难发现在高度方向上气流的均匀性存 在着偏析,其中均热带内气流最为薄弱这是由于 竖炉本身是个连通器,位于上部的焙烧风和下部 的冷却风 “对峙” 而形成的一段气流薄弱区,尤其 在竖炉的宽度尺寸很小时表现得尤为突出对于 竖炉宽度上的均匀性问题,实验证明,在焙烧带宽 度适宜的前提下,只要炉内风量在生产调节范围 内,便不存在 “吹不透” 的现象换言之,在生产调 节范围内,操作参数对气流均匀性影响较小 3 结 论 1 竖炉内存在 3 种气流分布 2 在竖炉结构参数包括料层情况一定的 前提下,流入风量比 k 决定者气流分布当 k 等 于临界风量比时,焙烧风和冷却风分别全部流入 焙烧带和导风墙内,此时竖炉处于临界工况;由临 界工况开始增加焙烧风或减小冷却风,则开始有 少量的焙烧风下行进入导风墙,且 k 愈大,下行 的焙烧风量愈大;由临界工况开始减小焙烧风或 增加冷却风,则开始有少量的冷却风上行进入焙 烧带,且 k 愈小,上行的冷却风量愈大;下行焙烧 风和上行冷却风最为不稳定,二者或者发生其一, 或者都不发生 3 在生产调节范围内,操作参数对气流均 匀性影响较小 参考文献 [ 1 ]9张一敏球 团理论 与 工 艺 [M]北 京冶 金 工 业 出 版 社, 2002 . 1 - 10,158 - 178 Zhang Y M . 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Experimental Study on Gas Flow Distribution Laws in Pelletizing Shaft Furnace DONG Hui, CAI Jiu-ju, WANG Guo-sheng, TIAN Hong SEPA Key Laboratory on Eco-industry, Northeastern University, Shenyang 110004, China.Correspondent DONG Hui, E- mail dhdjc yahoo. com . cn Abstract The pelletizing shaft furnacePSF with internal channels and drying bed is a conventional pellet roasting equipment in China .According to the principle of similitude, a cold-state experimental setup was built to study the gas flow distribution in PSF .Based on experimental data, representative flow-net diagrams are plotted to make sure of gas flow distribution in PSF and, further, to ascertain how the operating parameters affect the gas flow distribution in PSF .Some conclusions are therefore drawn as follows .The gas flow distribution will depend on the ratio of inflow, k, if the constructional parameters of PSF are constant.The roasting and cooling gases will entirely flow into the roasting zone and internal vertical air channels internal channels for short, respectively, if the ratio of inflow k is critical, i .e., a critical operating condition .When starting from such a critical operating condition to increase roasting gas flow or decrease cooling gas flow, the roasting gas starts flowing downwards so as to enter inside inner channels and the greater the ratio k is, the larger the downward flowrate will be .On the contrary, when starting from the same condition to decrease roasting gas flow or increase cooling gas flow, the cooling gas starts flowing upwards so as to enter into the roasting zone and the smaller the ratio k is, the larger the upward flowrate will be. However, in the two cases as above-mentioned there will be only one which is possible to take place at the same time, otherwise both are impossible . Key words pellet; shaft furnace; packed bed; fluid / gas flow; pressure drop Received September 4, 2003 待发表文章 摘 要 预 报 阴离子油性添加剂对铝酸钠溶液晶种分解的影响 陈 锋, 毕诗文, 张宝砚, 谢雁丽 研究了阴离子油性添加剂对铝酸钠溶液晶种分解的影响,考查了脂肪酸类阴离子表面活性剂与二十一碳烷不同配 比和不同添加量对铝酸钠溶液分解产生的氢氧化铝的粒度、 强度及分解率的影响,并探讨了与之相关的机理实验表明 脂肪酸质量分数在 15 ～49 的油性添加剂,添加量为 5010 - 6 ～15010 - 6 g L - 1 时,可以增加氢氧化铝的粒度,降 低细粒子分布,提高粒子的强度,略降低分解率;当添加剂中脂肪酸质量分数为 32 ,添加量为 15010 - 6 g L - 1 时,其 综合性能优于国外同类产品 企业并购定价的博弈分析 王义秋, 王 琳 从完全但不完美信息博弈的角度,对企业并购过程中目标企业出高价和出低价与主并企业买与不买的决策进行了 博弈分析,得出了并购双方各自在不同情况下的最优选择对目标企业而言,当目标企业经营状况好并且清楚主并企业 的先验概率时,目标企业的最优选择是以高价出售;当目标企业经营状况差并且清楚知道主并企业的先验概率时,目标 企业的最优选择是以低价出售对主并企业而言,当目标企业出低价时,主并企业以 ω1的概率选择并购目标企业;当目 标企业出高价时,主并企业以 ω2的概率选择并购目标企业对企业并购的定价进行博弈分析,旨在避免无效率并购,促 进企业的发展,有效地实现并购重组优化资源配置的功能 834东北大学学报自然科学版 第 25 卷