球团竖炉结构影响炉内气流分布的实验研究.pdf

收 稿日 期 2003-09-12 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 规划 项目2000026300 作 者简 介 董 辉1969 - ,男,辽宁黑 山人,东 北大学 博士 研究生,讲 师; 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6期 2 004 年 6 月 东北大学学报自然科学版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Vol.25,No . 6 Jun . 2 0 0 4 文章编号 1005-3026200406-0563-04 球 团 竖 炉 结 构 影 响 炉 内 气 流 分 布 的 实 验 研 究 董 辉 1 , 蔡九菊 1, 王国胜2, 傅 巍1 1 .东北大 学 国家 环境保 护生 态工业 重点实 验室, 辽宁 沈 阳 110004; 2 .沈 阳化 工学院化学工 程学院, 辽 宁 沈阳 110142 摘 要 根据相似原理建立了球团竖炉冷态模型实验台,依据实验数据绘制流网图,通过流 网图判断炉内气流运动,从而得到竖炉结构参数对气流分布的影响规律结果表明,结构参数中, 导风墙宽、 焙烧带宽、 冷却带宽、 焙烧带高、 均热带高和冷却带高等是影响气流分布的主要因素,其 中,导风墙宽增大,或焙烧带宽减小,或火口中心线上料层增高,则上行冷却风趋势减小,下行焙烧 风趋势增大,临界流入风量比 k * 减小;反之,上行冷却风趋势增大,下行焙烧风趋势减小,k * 增大; 此外,焙烧带宽是影响气流分布均匀性的主要因素此研究结果可指导竖炉的初始设计和生产参 考,尤其供竖炉的计算机辅助设计参考 关 键 词 球团;竖炉;填料充床;固定床;冶金炉;气流 中图分类号 TF 521 .1; TF 061.26 文献标识码 A 竖炉法是我国生产酸性球团的方法之一,多 年来在球团生产中占有重要地位,但是目前竖炉 法却受到严峻的考验,甚至关系到其存亡,提高球 团竖炉简称 竖炉,下同的单炉 产量 是当务 之 急 [1] 竖炉的本质是气固逆流式热交换装置,研 究炉内气流运动对强化竖炉热交换、 提高球团矿 的产量和质量具有重要的意义 [2] 国外已基本不 见竖炉,国内有关竖炉气流运动的研究甚少,且基 本停留在 20 世纪 80 年代的水平,其中,有关气流 运动影响规律的研究鲜有报道 [1 ,2] 根据冶金炉 理论[3],可通过调整结构参数和操作参数来控制 竖炉的热工过程,从而提高竖炉的产量,其中,有 关操作参数对气流运动的影响已在文献[2]中阐 述本文借鉴填料床气体动力学的相关理论和实 验 [4 ～10],研究竖炉结构参数对炉内气流分布的影 响规律 1 实验方法 以济钢 2 竖炉为原型,按照 1∶3～1∶5 的比 例制作了竖炉模型,用生产现场的球团作物料,实 验原理、 装置和特点请参见文献[2] 研究结构参数对气流分布影响时,必须保持操 作参数不变,为了与竖炉生产现场更为贴近,将鼓 入模 型 内的 焙 烧 风 和冷 却 风 风 量 分别 设 定 为 1 800,2 350 m 3 / h标况,此时流入风量比接近于 竖炉生产现场,且气流处于紊流状态 [2,11] 竖炉的 典型结构尺寸如图 1,其中, b1为焙烧带宽, b2为 冷却带宽, b3为导风墙宽, h1为火口中心线上料 层高近似为焙烧带高, h2为均热带高, h3为冷 却带高本实验主要研究焙烧带宽、 导风墙宽和火 口中心线上料层高对炉内气流分布的影响规律 图 1 球团竖炉典型结构尺寸 Fig . 1 Typical dimension of PSF 2 实验结果与分析 2 . 1 导风墙宽对气流分布的影响 保持 h1为 500 mm为原型竖炉的 0.35 倍, 料层倾角 α为 0 ,先将 b3设定为 130 mm为原型 竖炉的 0.35 倍工况 1,再将 b3分别扩大和 减小 54 工况 2,3,但保持 b1和 b3总和即 炉体宽为 550 mm为原型竖炉的 0.35 倍 图 2 是如上 3 种工况的流网图,表 1 是气流 分布状况分析流网图,得到上述工况体现了竖 炉的 3 种气流分流 [2],说明导风墙宽可改变气流 分流和临界流入风量比 k * 炉体宽一定,若导风 墙宽加大,则冷却风上行趋势减小,焙烧风下行趋 势加大, k * 减小;反之,导风墙宽减小,则冷却风 上行趋势增大,焙烧风下行趋势减小, k * 增大如 上夹杂着焙烧带宽变化的影响,表 1 所示的气流 分布状况是两者共同作用的结果 图 2 不同导风墙宽的流网图 Fig .2 [Flow-net diagrams for internal channels of different widths 表 1 不同导风墙宽的气流分布状况 Table 1 Gas flow distribution with internal channels of different widths 工况 导风墙宽 mm 气 流 分 布 状 况 焙 烧 风冷 却 风 k * 成 因 2200全部流入焙烧带 大部分流入导风墙,少部分 上行流入焙烧带参与焙烧 1 ∶1 .2 导风墙变宽,气流通过阻 力减小,使得 k * 增大 1130全部流入焙烧带全部流入导风墙 1 ∶1 .2 360 大部分流入焙烧带,少部 分下行流入导风墙 全部流入导风墙 1 ∶1 .2 焙烧带变宽,气流通过阻 力减小,使得 k*增大 1420全部流入焙烧带全部流入导风墙 1 ∶1 .2 5270 大部分流入焙烧带,少部 分下行流入导风墙 全部流入导风墙 1 ∶1 .2 焙烧带变窄,气流通过阻 力增大,使得 k * 减小 465东北大学学报自然科学版 第 25 卷 性的影响很大,尤其是焙烧带宽对整个竖炉气流 分布至关重要焙烧带过宽,造成气流靠近导风墙 侧气流薄弱,过窄,造成炉内两股气流严重的 “对 峙” ,形成很大的气流薄弱区 2 . 3 料层高度对气流分布的影响 将工 况 1 中 的 h1分 别增 加 0.08 倍、 减 小 0.28 倍、 减小 0.45 倍、 减小 0.62 倍,其余的结构 参数不变工况 6～9 图 4 是上述工况的流网图,表 3 是气流分布 状况分析流网图,得到上述工况也体现了炉内 的 3 种气流分流,说明料层高可改变气流分流和 k * 若料层高加大,则冷却风上行趋势减小,焙烧 风下行趋势增大, k * 减小;反之,则冷却风上行趋 势增大,焙烧风下行趋势减小, k * 增大 图 4 不同料层高焙烧带高的流网图 Fig .4 OFlow-net diagrams for roasting zone of different heights 表 3 不同火口上料层高焙烧带高的气流分布状况 Table 3 Gas flow distribution with roasting zone of different heights 工况 导风墙宽 mm 气 流 分 布 状 况 焙 烧 风冷 却 风 k * 成 因 6540 大部分流入焙烧带,少 部分下行流入导风墙 全部流入导风墙 1P∶ 1 .2 料层降低,上行冷却风趋势 增大,下行焙烧风趋势减小 观察图 4,从工况 6 至工况 9,火口上料层高 度逐渐减小,焙烧带的截面均匀性变差,焙烧带的 “吹透” 深度减小,因为随着料层高度的降低,上行 冷却风趋势增大,使得焙烧风 “吹透” 深度减小但 不可片面增加料层高度来获得较佳的 “吹透深度” 和均匀性,因为料层高度同时影响着气流分布,所 以适宜的料层高度才能使炉内气流分流合理,气 流分布均匀 3 实际应用 1 指导竖炉的初始设计,尤其可供计算机 辅助设计参考根据球团工艺条件和炉内气流分 布确定竖炉的高度尺寸,并根据炉内气流分布确 定宽度尺寸 2 指导竖炉生产中的结构调整,如增加火 口上料层高度,一定要兼顾其给炉内气流分流和 均匀性造成的影响 3 澄清对竖炉的一些认识误区初始设计 时,惟恐气流 “穿不透” 焙烧带而常常将焙烧带宽 设计得过小当竖炉产量低时,炉况尚且良好,但 随着竖炉产量的提高,冷却风量和焙烧风量的增 大,两股气流的对峙愈加严重,炉内气流薄弱区增 大,造成气流分布的恶化,阻碍了竖炉的正常生 产,因此,竖炉的结构参数设计不当,从根本上限 制了竖炉的产量竖炉一经建造起来,其生产能力 就基本确定,所以,要科学地评估竖炉的生产能 力,而不可盲目地追求产量 4 结 论 1 结构参数中,导风墙宽、 焙烧带宽、 冷却 带宽、 焙烧带高、 均热带高和冷却带高等是影响炉 内气流分布的主要因素,其中,导风墙宽增大,或 焙烧带宽减小,或火口中心线上料层增高,则上行 冷却风趋势减小,下行焙烧风趋势增大,临界流入 565第 6 期 董 辉等 球团竖炉结构影响炉内气流分布的实验研究 风量比 k * 减小;反之,上行冷却风趋势增大,下 行焙烧风趋势减小, k * 增大 2 结构参数中,焙烧带宽是影响气流分布 均匀性的主要因素 3 如上研究结果可指导竖炉的初始设计和 生产,尤其供竖炉的计算机辅助设计参考 参考文献 [ 1 ]孔 令坛中国 炼铁原 料技 术的 科 技 进 步 和 展 望[J]中 国 冶 金, 2003,6541 - 4 Kong L T . Technological progress and expectation of raw material for iron smelting in China[J] . China Metallurgy, 2003,6541 - 4 . [ 2 ]董 辉,蔡九 菊,王国 胜,等球团 竖 炉内 气 流运 动 规 律的 实 验 研究[J]东 北 大 学 学 报自 然 科 学 版, 2004, 24 5 435 - 438 Dong H, Cai J J, Wang G S, et al .Experimental study on fluid flow distribution laws in pellet furnace[J] . Journal of Northeastern University Natural Science, 2004, 24 5 435 - 438 . [ 3 ]陆 钟武火焰 炉 [M]北 京冶 金 工 业 出 版 社, 1995 . 1 - 12 Lu Z W . Flame f urnace[M ] . Beijing The Metallurgical Press, 1995 . 1 - 12 . [ 4 ]5Paterson W R, Berresford E J . Gas flow maldistribution in moving beds of monosized particles[J] . Chem Fluid Sci, 2000,55173515 - 3527 . [ 5 ]Sodr J R .Fluid flow pressure drop through an annular bed of spheres with wall effects[J] . Therm f luid Sci, 1998, 17 3265 - 275 . [ 6 ]]Stanek, Vladimir, Jircny .Experimentalobservationof pressure drop overshoot following an onset of gas flow in counter-current beds[J] . Chem Eng J, 1997,682-3207 - 210 . [ 7 ]AAchenbach E . Heat and transfer characteristics of packed beds[J] . Experi mental Thermal and Fluid Science, 1998, 1017 - 27 . [ 8 ]8Amiri A, Vafai K . Transient analysis of incompressible flow through a packed bed[J] . International Journal of Heat and Mass T ransfer, 1998,414259 - 4279 . [ 9 ]7Stank V, Szekely J . The effect of non-uni porosity in causing flow maldistribution in isothermal packed beds[J] . Can J Chem Eng, 1973,51322 - 30 . [10]Moise A, Tudose R Z . Air isothermal flow through packed beds[J] . Experi mental Thermal an d Fluid Science, 1998, 18134 - 141 . [11]7John E F, Joseph B F . Fluid mechanics with engineering applications [ M ] . BeijingTsinghuaUniversityPress, 2003 . 193 - 198,629 - 630 . ExperimentalStudyonGasFlowDistributionAffectedby Constructional Parameters of Pelletizing Shaft Furnaces DONG Hui 1 , CAI Jiu-ju1, WANG Guo-shen2, FU Wei1 1 . SEPA Key Laboratory on Eco-industry, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 2 . Shenyang Institute of Chemical Engineering, Shenyang 110004, China .Correspondent CAI Jiu-ju, E-mail dhdjc yahoo . com . cn Abstract Pelletizing shaft furnacePSF is usually used to produce acidic pellet in China .A cold-state experimental set-up was built according to the principle of similitude, and then the flow-net diagrams with different constructional parameters were plotted to make sure of the gas flow distribution in PSF and how the gas flow distribution is affected by the constructional parameters .The results showed that among such constructional parameters the widths of vertical air internal channels, roasting zone and cooling zone and the heights of roasting zone, soaking zone and cooling zone are the main influencing factors on gas flow distribution in PSF . In case the width of internal channels or the height of roasting zone is increased or the width of roasting zone decreased, the upward cooling gas tends to decrease while the downward roasting gas tends to increase with the critical ratio of inflow k * decreased gradually, and vice versa. It is important that the width of roasting zone is the key influencing factor on the uniity of gas flow distribution in PSF .The results as above can be applied to the initial design of PSF especially in CAD . Key words pellet;shaft furnace; packed bed; fixed bed; metallurgical furnace; gas / fluid flow Received September 12, 2003 待发表文章 摘 要 预 报 改进遗传算法在建筑结构优化设计中的应用 张延年, 刘 斌, 董锦坤, 郭鹏飞 针对标准遗传算法在迭代过程中经常出现未成熟收敛、 发生振荡、 随机性太大等缺点,提出一种新的遗传算子 转基因算子,用于对标准遗传算法的改进这种转基因算子有效地利用了计算适应度的信息,很好地保护了最优个体,并 能提高群体中个体的适应度包含转基因算子的改进遗传算法能直接计算具有应力约束和截面尺寸约束的离散变量结 构优化设计问题,也能处理同时具有稳定约束和位移约束的多工况、 多约束、 多变量的离散变量结构优化设计问题算例 结果表明,改进遗传算法的收敛特性和优化设计结果远好于标准遗传算法,是一种理想的建筑结构优化设计方法 665东北大学学报自然科学版 第 25 卷