CN109063320B - 一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，包括：(1)建立链篦机鼓风干燥段球团料层热耦合过程二维非稳态数学模型；单球团矿传热一维非稳态数学模型，考虑水蒸气冷凝作为水分迁移的重要过程；(2)为提高计算速度，对链篦机鼓风干燥段干燥过程进行必要合理的简化和假设；(3)建立数学模型，包括单球团矿干燥数学模型、球团料层干燥数学模型等；(4)模型计算，根据所述的数学模型，确定传热传质、几何结构等参数，模拟链篦机鼓风干燥段干燥过程不同工艺和控制参数下的变化；(5)模型验证，与实际球团干燥试验结果进行对比验证，确定经验系数的取值；(6)仿真优化，对实际干燥过程中的控制和工艺参数进行调整，优化球团干燥生产工艺。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼中球团矿烧结工艺技术领域，具体是一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法。
背景技术
链篦机是生产球团冶金矿料的关键设备之一，主要用于对来自造球机的生(湿)球团进行干燥和预热。它是通过布料机将生(湿)球团布在慢速运行的链篦机篦床的篦板上，利用环冷机的余热和回转窑排出的热风对生(湿)球团进行鼓风干燥、抽风干燥以及预热氧化，并达到足够的抗压强度后直接送入回转窑进行焙烧，得到质量可靠的球团。
链篦机由鼓风干燥段、抽风干燥段、预热一段和预热二段所组成，链篦机各段温度场必须稳定控制在适当范围之内，如果干燥过程温升过快，则生(湿)团球容易爆球；如果干燥过程温度达不到要求，则球团水分不能充分蒸发；如果预热过程温度达不到要求，则会影响球团预热固结效果，没有足够的抗压强度而影响球团质量；如果干燥预热过程温度过高，则会降低链篦机的使用寿命。
鼓风干燥段球团的干燥是一个复杂的传热传质过程，球团因干燥消耗的热量约占到总热量的20％左右。链篦机鼓风干燥段球团干燥过程包含两个阶段，第一个阶段是水分的冷凝过程，热气流对球团料层进行穿流干燥时，气流带着下部球团料层蒸发的水分向上流动，气流逐渐被冷却，当达到气流、水分及球团物料之间的平衡露点时，气流中的水蒸气将会被冷凝附着在球团表面，形成一层水膜。第二个阶段是水分的蒸发过程，气流、水分及球团之间的平衡露点被打破，气流和球团温度开始上升，此时球团中的水分开始蒸发。
查阅目前国内外相关发明专利、论文和产品介绍等文献，如宝山钢铁股份有限公司申请的发明专利“预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法”(CN201410446270.5)，该专利将水分迁移、石灰石分解、焦粉燃烧等显著影响烧结过程的热效应通过微观机理模型进行求解，没有考虑沿台车运动方向上的温度传输和物料之间的传热影响，对烧结精度存在较大影响；如中冶华天工程技术有限公司申请的发明专利“预测烟气循环烧结质—热耦合过程的数值计算方法”(CN201710631038.2)，该方法用于模拟烧结过程中气体和烧结混料交叉换热、反应以及料层结构变化过程，没有考虑水分冷凝作为干燥过程的重要过程，仅是建立宏观意义上的数学模型，无法真实反应物料干燥过程的水分传输机理，不能完全反应物料干燥过程。
烧结矿球团料层传热传质模型理论研究国外最早开始于上世纪六十年代。Young等(Ironmaking&Steelmaking，1979)建立了链篦机-回转窑-环冷机中球团干燥预热的数学模型，对影响球团对流换热的影响因素进行了计算分析，但作者没有对数学模型进行深入的分析；潘姝静等(钢铁研究，2012)针对鼓风干燥段球团矿的干燥过程，考虑了球团矿料层内质量、能量和动量之间的相互耦合效应，建立了干燥过程中球团矿料层内部多场耦合传递过程数学模型，但是没有考虑球团内部导热，未对球团整个干燥过程进行研究；对于球团料层水蒸气凝结，Cumming等(Ironmak.Steelmak.，1990)认为一旦气体达到饱和，水蒸气就开始凝结，但是其忽略了传质过程；Dash等(Ironmaking steelmaking，1978)认为水蒸气凝结速率与气体湿度和气体饱和湿度的差值成正比，该模型具有一定的经验性。对于球团内水分的蒸发过程，Patisson等(Metallurgical Transactions B,1990)研究发现球团内水分蒸发速率由常速段和降速段组成；Ljung等(SIMULATION,2006)将球团料层视为多孔介质，将料层的空隙率考虑在内，通过计算得到了球团温度分布，但其忽略了球团的水分蒸发，使用的参数基于粗略近似，结果存在较大误差；Tsukerman等(International journalof mineral processing，2007)建立了球团的干燥动力学模型，通过研究发现球团表面的水分最先开始蒸发，随后蒸发前沿向球团内部移动，球团湿芯不断缩小，但是该模型没有考虑水分的冷凝对球团含水量的影响。目前对链篦机鼓风干燥段球团干燥的研究工作大多集中在水分蒸发速率及温度的预测和判断，忽略了水分的冷凝，这无法真实反应球团干燥过程的水分传输机理，不能完全反应球团干燥过程。
上述计算方法多用于离线操作分析，在工业应用上尚有限制，主要不足如下：(1)大多数模型仅考虑了气固对流换热，而对于球团导热问题基本不涉及；(2)忽略了水分迁移冷凝阶段及球团内部温度梯度，无法真实准确反应球团干燥过程的水分传输机理；(3)控制方程相当复杂，模型求解时间较长；(4)模型中一些主要技术参数选取过于经验化，其计算精度不能满足工业控制要求，使用范围较窄。
由上述分析可见，由于链篦机鼓风干燥段球团干燥是一个复杂的传热传质过程，影响因素较多，不易建立合适的数学模型。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法。本发明根据球团链篦机鼓风干燥段的热传递特点，对篦床篦板、球团料层与气流之间的传热传质过程进行合理的假设和简化，以局部非热力学平衡理论和计算流体动力学理论为基础，结合多孔介质理论、干燥动力学等，包含球团干燥过程的水分冷凝和水分蒸发模型，考虑了球团的内部导热过程，建立了球团内部导热的能量方程，确立链篦机鼓风干燥段球团干燥过程多物理场耦合数学模型，在机理上更加贴近实际干燥过程，提高模型精度。
为实现上述目的，本发明方案是：一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，包含以下步骤：
(1)建立链篦机鼓风干燥段球团干燥过程物理模型，是一个复杂的传热传质耦合过程，将球团料层干燥视为二维非稳态传输模型；单球团矿干燥过程视为一维非稳态模型，其求解结果加权求和作为球团料层数学模型控制方程中的质量源项和热量源项；
(2)为提高计算速度，对链篦机鼓风干燥段球团干燥过程建模及求解过程进行必要的、合理的简化和假设；
(3)建立数学模型，包括单球团矿能量控制方程、水分迁移模型、气体控制方程、球团料层能量方程、链篦机篦床篦板简化模型等；
(4)模型计算，根据所述建立的数学模型，确定传热传质、几何结构等参数，计算得到单球团矿内部温度梯度，水分蒸发，球团料层温度及气流温度模型，模拟链篦机鼓风干燥段干燥过程不同工艺和控制参数下的变化过程；
(5)模型验证，根据步骤(4)中的数值计算结果，与实际链篦机鼓风干燥段球团干燥试验获得的结果进行对比验证，确定经验系数的取值；
(6)仿真优化，对实际干燥过程中的控制和工艺参数进行调整，优化球团干燥生产工艺。
进一步地，步骤2中，在建立球团传热干燥过程数学模型时，应作如下假设：
(1)忽略风箱与烟罩的影响，认为球团链篦机与外部空气绝热，之间不进行热交换；
(2)不考虑球团链篦机各段之间的串气影响；
(3)认为球团链篦机各段内气体的流动为不可压缩流动；
(4)认为球团链篦机各段沿宽度方向不存在温度梯度，即忽略沿宽度方向上的温差；
(5)将球团料层视为同向多孔介质。
进一步地，步骤3中，所述链篦机鼓风干燥段球团干燥过程数学模型包括：单球团矿干燥数学模型和球团料层干燥数学模型；所述单球团矿干燥数学模型包括单球团矿能量控制方程、水分迁移模型；所述球团料层干燥数学模型包括气体控制方程、球团料层能量方程，链篦机篦床篦板简化模型；。
球团在干燥过程中，球团内部处于更低的温度。球团温度从环境温度开始上升，水蒸气凝结并覆盖在球团表面，直至到达露点温度才停止。考虑水蒸气冷凝作为水分迁移的重要过程，求解干燥过程中水分迁移、热交换，根据本发明所述的数学模型建模方法，所述的步骤(1)和(4)中，求解水分干燥过程中水分迁移、热交换时，建立的水分迁移模型包括水蒸气冷凝模型和水分蒸发模型：
水蒸气冷凝模型为：
Rconden＝10-3AfskmMv(Pv-Psat)/(RgTg)；
水分蒸发模型为：
其中：Rconden为水蒸气冷凝速率kg/(m3·s)；
Afs为球团比表面积，m2/m3；
km为对流传质系数，m/s；
Mv为水的摩尔质量，kg/mol；
Pv为水蒸气分压力，Pa；
Tg为气体温度，K；
Rg为气体常数，8.314J/(mol·K)；
Psat为水蒸气饱和压力，Pa；
Wg为气体湿度，kg/m3；
Wg e为水蒸气饱和湿度，kg/m3；
εp为球团孔隙率，取0.25；
Rp为球团半径，m；
Dff为水蒸气有效扩散系数，m2/s；
球团湿芯半径rc由下式计算：rc＝Rp(Wp/Wpc)1/3。
气体控制方程包含连续性方程、动量方程、能量方程及湍流模型。所述的连续性方程：
动量方程：
能量方程：
k-ε湍流模型：
其中：ρf为气体密度，kg/m3；
ε为球团料层孔隙率，无量纲，取0.39；
V为气体表观速度，m/s；
Sfc为连续性方程源项，表示球团料层水分蒸发而进入气体中的量，由下式计算：
p为气体体积平均压力，pa；
ve为气体有效粘性系数，kg/(m·s)；
vf为气体粘性系数，通常情况下认为ve和νf相等；
Sfm为多孔介质阻力源项，表示气体流过多孔介质产生的压力差，即多孔介质阻力源项，具体表达式如下：
式中：CF为多孔介质的结构函数，定义为：
K为多孔介质渗透率，定义为：
dp为球团直径；
kf为气体导热系数，W/(m·k)；
hfs为气固对流换热系数，W/(m2·k)；
Ts为球团表面温度，K；
Afs球团比表面积，m2/m3，可通过下式求得：
Cf为气体比热容，J/(kg·K)；
气体导热系数kf由下式确定：
其中，球团表面气固热交换系数hfs可用下式求解：
普朗特数Pr由下式求得：
雷诺数Re由下式求得：
式中：υf为气流速度，m/s；
为气体能量方程源项，此处为水分蒸发带走的热量，由下式计算：
式中：ΔHw为单位质量水分蒸发的气化潜热，由下式计算：
Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生速率。νt为湍流粘性系数，具体方程如下：
C1ε，C2ε，Cμ，σk，σε为经验常数。
链篦机篦床篦板简化模型：包括篦板热交换模型和篦板压力损失模型：篦板热交换模型可用局部热平衡模型来描述。篦板压力损失模型可用多孔阶跃模型来描述；
篦板热交换模型：
篦板压力损失模型：
其中：εgp为篦板孔隙率；
ρgp为篦板密度，kg/m3；
Cgp为篦板比热容，J/(kg·K)；
Tgp为篦板温度，K；
kgp为篦板导热系数，J/(m·s·k)；
Δppg为压力损失，Pa；
α为篦板的渗透性，m2；
C2为压力跳跃系数，1/m2；
υ为垂直于篦板表面的速度分量，m/s；
Δm为篦板的厚度，m。
单球团矿能量控制方程如下：
(1)连续性方程：
(2)动量方程：
(3)能量方程：
式中：ρf为气体密度，kg/m3；
ε为球团料层孔隙率，无量纲，取0.39；
V为气体表观速度，m/s；
Sfc为连续性方程源项，表示球团料层水分蒸发而进入气体中的量，由下式计算：
p为气体体积平均压力，pa；
νe为气体有效粘性系数，kg/(m·s)；
νf为气体粘性系数，通常情况下认为νe和νf相等；
Sfm为多孔介质阻力源项，表示气体流过多孔介质产生的压力差，即多孔介质阻力源项，具体表达式如下：
式中：CF为多孔介质的结构函数，定义为：
K为多孔介质渗透率，定义为：
dp为球团直径，m；
kf为气体导热系数，W/(m·k)；
hfs为气固对流换热系数，W/(m2·k)；
Ts为球团表面温度，K；
Afs球团比表面积，m2/m3，可通过下式求得：
Cf为气体比热容，J/(kg·K)；
气体导热系数kf由下式确定：
其中，球团表面气固热交换系数hfs可用下式求解：
普朗特数Pr由下式求得：
雷诺数Re由下式求得：
式中：υf为气流速度，m/s；
为气体能量方程源项，此处为水分蒸发带走的热量，由下式计算：
式中：ΔHw为单位质量水分蒸发的气化潜热，由下式计算：
球团料层能量方程的建立：
将球团料层视为各向同性多孔介质，采用局部非热平衡模型来描述球团料层和气流之间的传热，建立双能量方程中的固相能量方程，即球团料层表面与热气流之间热传递的能量方程。链篦机鼓风干燥段干燥过程分为两个阶段，第一个阶段是球团表面干燥阶段，此时球团湿度Wp大于球团临界湿度Wpc(球团临界湿度为球团初始湿度的70％)，认为球团内部的水分会快速的扩散到球团表面，干燥发生在球团表面。第二阶段是内部扩散阶段，此时球团湿度Wp小于球团临界湿度Wpc，球团内部的水分无法及时扩散到球团表面，干燥发生在球团内部，水分在球团湿芯内被蒸发变为水蒸气，水蒸气以扩散的形式通过蒸发前沿进入干壳，最后到达球团表面被气流带走。
当球团湿度Wp＞Wpc时，球团处于表面干燥阶段，球团表面温度由下式计算：
其中，为能量方程源项，表示球团内水分蒸发吸收的热量，由下式计算：
球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：Wp为球团湿度，kg/m3；
Wpc为球团临界湿度，kg/m3；
km为对流传质系数，m/s，由下式计算：
式中：为水蒸气扩散系数，m2/s；
Sc为气体施密特数，由下式计算：
为水蒸气饱和湿度，kg/m3；
Wg为气体湿度，kg/m3；
Mv为水的摩尔质量，kg/mol；
Rg为气体常数，J/(mol·k)。
当球团湿度Wp≤Wpc时，球团转变为内部干燥阶段，此时球团水分蒸发速率取决于球团湿芯表面温度Trc是否超过沸点。当Wp≤Wpc和Trc＜100℃时，球团表面温度由下式计算：
ρs为球团密度，kg/m3；
Cpw为球团湿芯比热容，J/(kg·K)；
Cpd为球团干壳比热容，J/(kg·K)；
kpw为球团湿芯导热系数，W/(m·k)；
kpd为球团干壳导热系数，W/(m·k)；
球团干壳热传递的能量方程为：
式中：R为球团半径，m；
Ar为半径为r的球的表面积，m2；
Vp为球团体积，m3；
球团蒸发前沿能量方程：
式中：Acore为球团湿芯表面积，m2；
其中，球团湿芯表面积由下式计算：
球团湿芯能量方程：
球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：rc为球团湿芯半径，m；
Trc为球团湿芯表面温度，K；
Dff为水蒸气有效扩散系数，m2/s；
其中，球团湿芯半径rc由下式计算：rc＝R(Wp/Wpc)1/3；
当Wp≤Wpc和Trc≥100℃时，球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：Kp为干壳相对渗透系数，取0.0003m/s；
p为气压，MPa；
本发明的有益效果：
1、本发明提出的计算方法，完善了现有计算方法存在的诸多不足，将水蒸气冷凝作为球团干燥中水分迁移的重要过程，考虑了链篦机篦板与热气流的对流交换及球团内部导热，在机理上更贴近实际干燥过程，因而模拟精度更高，具备了应用的价值；
2、本发明不仅能实现对传统干燥烧结工艺主要热工参数及操控参数的优化仿真，更能满足对链篦机鼓风干燥段球团干燥过程准确预测的需求；
3、本发明能够对不同料层厚度、篦床运行速度、气体入口流量、热气流状态参数(流量、温度和风速)等影响干燥过程的主要热工参数和操控参数进行数值计算，以分析不同生产工况下的干燥特性，优化干燥过程控制，进而实现有效降低能源消耗，提高球团生产质量和链篦机使用寿命，提升综合经济效益。
附图说明
图1是球团在链篦机篦床鼓风干燥段干燥过程示意图；
图2是本发明的方法流程图；
图3为球团冷凝及水分蒸发过程示意图；
图4是本发明方法模拟的冷凝过程和蒸发过程球团温度分布曲线图，T1、T6、T10分别表示不同高度下球团料层温度；
图5是本发明方法的模拟结果与试验结果的对比验证。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明首先建立链篦机鼓风干燥段球团传热干燥过程物理模型，在对其进行必要的简化假设的基础上，建立球团传热干燥过程数学模型，最后通过实际试验获得的球团料层各层温度及链篦机内各区域温度数据对所建立的数学模型进行验证与调整，预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程，全面分析并优化实际干燥过程中的控制参数和工艺参数。
以往的干燥料层模型，大都是建立宏观意义上的数学模型，对于模型中传热处理较为粗糙，计算精度不足。针对这个问题，本发明建立单球团矿干燥机理模型，并基于此建立高温干燥工艺的宏观料层数学模型，将水分迁移、热量传递等显著干燥过程的热效应通过微观机理模型进行求解，并将计算结果加权作为宏观模型的质量源项和热量源项，在机理上更加贴近球团链篦机实际干燥过程，提高模型精度。
图1所示的是球团在链篦机鼓风干燥段的干燥过程示意图，将铁矿石磨成粉，加入一定的膨润土和水，经过造球机生产出生球。但生球的抗压强度低、容易破碎，不能直接进入高炉进行冶炼，需要经过干燥、预热和焙烧。链篦机由鼓风干燥段、抽风干燥段、预热Ⅰ段和预热Ⅱ段组成，其中生球从造球机出来后由布料机均匀的铺在篦床篦板上，从进料口进入鼓风干燥段，环冷机Ⅲ段引入的热气流从鼓风干燥段底部进入，通过篦板的通槽对球团料层进行穿流干燥，最后气流携带球团料层蒸发的水蒸气通过鼓风干燥段上部的排气装置排到大气中。经过鼓风干燥段后，球团会随链篦机篦床一起进入抽风干燥段继续进行干燥。
如图2所示，本发明的具体实施步骤如下：
步骤1，建立链篦机鼓风干燥段球团干燥过程物理模型，是一个复杂的传热传质耦合过程，将球团料层干燥视为二维非稳态传输模型，单球团矿干燥过程视为一维非稳态模型；具体实现如下：
在干燥过程中，链篦机篦床温度在空间上呈现为二维梯度温度场：根据球团干燥和预热工艺要求，为保证球团生产质量和链篦机零部件使用寿命，沿篦床行走方向形成一个由常温到400℃梯度变化的纵向温度场；基于穿流干燥工艺要求，沿球层高度方向也形成一个篦床表面到球层上表面温度逐步上升的垂直温度场，同时由于干燥过程是连续生产过程，篦床移动速度很慢，且在布料均匀的情况下，宽度方向上温度较均匀，认为干燥过程中沿宽度方向不存在温度梯度，即忽略沿宽度方向上的温差，可将球团链干燥过程生产工况简化为二维非稳态传热传质模型。
球团料层由具有一定粒径分布的单球团矿组成，具有一定孔隙率，在干燥过程中单球团矿内部发生热量传递和水分迁移，并通过球团矿之间的传热传质实现了热量的传递，采用一种缩芯建模方法来描述单球团矿干燥过程热量的传递，以导热微分方程的球坐标形式，化简为一维非稳态导热，建立单球团矿干燥数学模型。
步骤2，简化假设，为提高计算速度，对链篦机鼓风干燥段干燥过程进行必要的、合理的简化和假设，以满足工程应用的需要，包括5点简化假设；具体实现如下：
(1)忽略风箱与烟罩的影响，认为球团链篦机与外部空气绝热，之间不进行热交换；
(2)不考虑球团链篦机各段之间的串气影响；
(3)认为球团链篦机各段内气体的流动为不可压缩流动；
(4)认为球团链篦机各段沿宽度方向不存在温度梯度，即忽略沿宽度方向上的温差；
(5)将球团料层视为同向多孔介质。
步骤3，建立数学模型，包括单球团矿能量控制方程、水分迁移模型、气体控制方程、球团料层能量方程、链篦机篦床篦板简化模型等；具体实现如下：
本发明中，所述的水分迁移模型包括水蒸气冷凝模型和水分蒸发模型。水蒸气冷凝及水分蒸发过程示意图如图3所示，所述的水蒸气冷凝模型为：
Rconden＝10-3AfskmMv(Pv-Psat)/(RgTg)；
水分蒸发模型为：/>
式中：Rconden为水蒸气冷凝速率kg/(m3·s)；
Afs为球团比表面积，m2/m3；
km为对流传质系数，m/s；
Mv为水的摩尔质量，kg/mol；
Pv为水蒸气分压力，Pa；
Tg为气体温度，K；
Rg为气体常数，8.314J/(mol·K)；
Psat为水蒸气饱和压力，Pa；
Wg为气体湿度，kg/m3；
Wg e为水蒸气饱和湿度，kg/m3；
εp为球团孔隙率，取0.25；
Rp为球团半径，m；
Dff为水蒸气有效扩散系数，m2/s；
球团湿芯半径rc由下式计算：rc＝Rp(Wp/Wpc)1/3。
单球团矿数学模型如下：
(1)连续性方程：
(2)动量方程：
(3)能量方程：
式中：ρf为气体密度，kg/m3；
ε为球团料层孔隙率，无量纲，取0.39；
V为气体表观速度，m/s；
Sfc为连续性方程源项，表示球团料层水分蒸发而进入气体中的量，由下式计算：
p为气体体积平均压力，pa；
ve为气体有效粘性系数，kg/(m·s)；
vf为气体粘性系数，通常情况下认为ve和vf相等；
Sfm为多孔介质阻力源项，表示气体流过多孔介质产生的压力差，即多孔介质阻力源项，具体表达式如下：/>
式中：CF为多孔介质的结构函数，定义为：
K为多孔介质渗透率，定义为：
dp为球团直径，m；
kf为气体导热系数，W/(m·k)；
hfs为气固对流换热系数，W/(m2·k)；
Ts为球团表面温度，K；
Afs球团比表面积，m2/m3，可通过下式求得：
Cf为气体比热容，J/(kg·K)；
气体导热系数kf由下式确定：
其中，球团表面气固热交换系数hfs可用下式求解：
普朗特数Pr由下式求得：
雷诺数Re由下式求得：
式中：υf为气流速度，m/s；
为气体能量方程源项，此处为水分蒸发带走的热量，由下式计算：
式中：ΔHw为单位质量水分蒸发的气化潜热，由下式计算：
球团料层能量方程如下：
当球团湿度Wp＞Wpc时，球团处于表面干燥阶段，球团表面温度由下式计算：
其中，为能量方程源项，表示球团内水分蒸发吸收的热量，由下式计算：
球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：Wp为球团湿度，kg/m3；
Wpc为球团临界湿度，kg/m3；
km为对流传质系数，m/s，由下式计算：
式中：为水蒸气扩散系数，m2/s；
Sc为气体施密特数，由下式计算：
为水蒸气饱和湿度，kg/m3；
Wg为气体湿度，kg/m3；
Mv为水的摩尔质量，kg/mol；
Rg为气体常数，J/(mol·k)。
当球团湿度Wp≤Wpc时，球团转变为内部干燥阶段，此时球团水分蒸发速率取决于球团湿芯表面温度Trc是否超过沸点。当Wp≤Wpc和Trc＜100℃时，，球团表面温度由下式计算：
ρs为球团密度，kg/m3；
Cpw为球团湿芯比热容，J/(kg·K)；
Cpd为球团干壳比热容，J/(kg·K)；
kpw为球团湿芯导热系数，W/(m·k)；
kpd为球团干壳导热系数，W/(m·k)；
球团干壳热传递的能量方程为：
式中：R为球团半径，m；
Ar为半径为r的球的表面积，m2；
Vp为球团体积，m3；
球团蒸发前沿能量方程：
/>
式中：Acore为球团湿芯表面积，m2；
其中，球团湿芯表面积由下式计算：
球团湿芯能量方程：
球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：rc为球团湿芯半径，m；
Trc为球团湿芯表面温度，K；
Dff为水蒸气有效扩散系数，m2/s；
其中，球团湿芯半径rc由下式计算：
rc＝R(Wp/Wpc)1/3；
当Wp≤Wpc和Trc≥100℃时，球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：Kp为干壳相对渗透系数，取0.0003m/s；
p为气压，MPa；
链篦机篦床篦板简化模型包括篦板热交换模型和篦板压力损失模型：篦板热交换模型可用局部热平衡模型来描述。篦板压力损失模型可用多孔阶跃模型来描述；
篦板热交换模型：
篦板压力损失模型：
其中：εgp为篦板孔隙率；
ρgp为篦板密度，kg/m3；
Cgp为篦板比热容，J/(kg·K)；
Tgp为篦板温度，K；
kgp为篦板导热系数，J/(m·s·k)；
Δppg为压力损失，Pa；
α为篦板的渗透性，m2；
C2为压力跳跃系数，1/m2；
υ为垂直于篦板表面的速度分量，m/s；
Δm为篦板的厚度，m。
步骤4，模型计算，根据所述建立的数学模型，确定传热传质、几何结构等参数，计算得到单球团矿内部温度梯度，水分蒸发，球团料层温度及气流温度模型，模拟链篦机鼓风干燥段干燥过程不同工艺和控制参数下的变化过程。
步骤5，模型验证，与实际链篦机鼓风干燥段球团干燥试验获得的结果进行对比验证，确定经验系数的取值；具体实现如下：
按照本发明的方法，获得链篦机鼓风干燥段球团温度变化如图4所示，T1、T6和T10分别表示不同料层高度的料层温度分布。获得热气流温度为200℃工况下模拟结果与实际试验结果进行对比验证，对比结果如图5所示，图5中的两条曲线分别为距离料层底部60mm处球团料层温度随时间的变化。根据图5的对比验证结果，认为本发明提出的计算方法准确有效。
步骤6，仿真优化，对实际干燥过程中的控制和工艺参数进行调整；具体实现如下：
根据实际试验测量的球团干燥过程各区域温度，对步骤4中的模拟参数进行调整，使得模拟温度与实际温度相符，从而根据模拟结果对实际干燥过程中的控制和工艺参数，如不同料层厚度、篦床运行速度、气体入口流量、热气流状态参数(流量、温度和风速)等进行调整，优化球团干燥生产工艺。
本发明根据链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的热传递特点，对篦床篦板、球团料层与气流之间的传热传质过程进行合理的假设和简化，以局部非热力学平衡理论和计算流体动力学理论为基础，结合多孔介质理论、干燥动力学模型，包含球团干燥过程的水分冷凝和水分蒸发模型。考虑了球团的内部导热过程，建立了球团内部导热的能量方程，确立链篦机鼓风干燥段球团干燥过程多物理场耦合数学模型，在机理上更加贴近实际干燥过程，提高模型精度。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立链篦机鼓风干燥段球团干燥过程物理模型：干燥过程是一个传热传质耦合过程，将球团料层干燥视为二维非稳态传输模型；单球团矿干燥过程视为一维非稳态模型，将求解结果加权求和作为球团料层数学模型控制方程中的质量源项和热量源项；
步骤2，为提高计算速度，对链篦机鼓风干燥段球团干燥过程数学建模及求解过程进行简化和假设；
步骤3，建立数学模型，包括单球团矿干燥模型和球团料层干燥模型；所述单球团矿干燥模型包括单球团矿能量控制方程、水分迁移模型；所述球团料层干燥模型包括气体控制方程、球团料层能量方程，链篦机篦床篦板简化模型；
所述步骤3中，所述气体控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及湍流模型；
所述的连续性方程：
动量方程：
能量方程：
k-ε湍流模型：
其中：ρf为气体密度，kg/m3；
ε为球团料层孔隙率，无量纲，取0.39；
V为气体表观速度，m/s；
Sfc为连续性方程源项，表示球团料层水分蒸发而进入气体中的量，由下式计算：
p为气体体积平均压力，pa；
νe为气体有效粘性系数，kg/(m·s)；
νf为气体粘性系数，νe和νf相等；
Sfm为多孔介质阻力源项，表示气体流过多孔介质产生的压力差，即多孔介质阻力源项，具体表达式如下：
式中：CF为多孔介质的结构函数，定义为：
K为多孔介质渗透率，定义为：
dp为球团直径；
kf为气体导热系数，W/(m·k)；
hfs为气固对流换热系数，W/(m2·k)；
Ts为球团表面温度，K；
Afs球团比表面积，m2/m3，可通过下式求得：
Cf为气体比热容，J/(kg·K)；
气体导热系数kf由下式确定：
其中，球团表面气固热交换系数hfs可用下式求解：
普朗特数Pr由下式求得：
雷诺数Re由下式求得：
式中：υf为气流速度，m/s；
为气体能量方程源项，此处为水分蒸发带走的热量，由下式计算：
式中：ΔHw为单位质量水分蒸发的气化潜热，由下式计算：
Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生速率；νt为湍流粘性系数，具体方程如下：
C1ε，C2ε，Cμ，σk，σε为经验常数；
步骤4，模型计算，根据步骤3建立的数学模型，确定传热传质、几何结构参数，计算得到单球团矿内部温度梯度，水分蒸发，球团料层温度及气流温度模型，模拟链篦机鼓风干燥段干燥过程不同工艺和控制参数下的变化过程；
所述的步骤1-步骤4中，干燥过程中水分迁移、热交换时，建立水分迁移模型，包括水蒸气冷凝模型和水分蒸发模型，所述的水蒸气冷凝模型为：
Rconden＝10-3AfskmMv(Pv-Psat)/(RgTg)；
所述的水分蒸发模型为：
式中：Rconden为水蒸气冷凝速率kg/(m3·s)；
Afs为球团比表面积，m2/m3；
km为对流传质系数，m/s；
Mv为水的摩尔质量，kg/mol；
Pv为水蒸气分压力，Pa；
Tg为气体温度，K；
Rg为气体常数，8.314J/(mol·K)；
Psat为水蒸气饱和压力，Pa；
Rp为球团半径，m；
Dff为水蒸气有效扩散系数，m2/s；
Wg为气体湿度；
εp为球团孔隙率；
球团湿芯半径rc由下式计算：
Wp为球团湿度，kg/m3；
Wpc为球团临界湿度，kg/m3；
步骤5，模型验证，根据步骤4中的数值计算结果，与实际链篦机鼓风干燥段球团干燥试验获得的结果进行对比验证，确定经验系数的取值；
步骤6，仿真优化，对实际干燥过程中的控制和工艺参数进行调整，优化球团干燥生产工艺。
2.根据权利要求1所述的一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，其特征在于，所述步骤2中的假设包括：
(1)忽略风箱与烟罩的影响，认为球团链篦机与外部空气绝热，之间不进行热交换；
(2)忽略球团链篦机各段之间的串气影响；
(3)球团链篦机各段内气体的流动为不可压缩流动；
(4)球团链篦机各段沿宽度方向不存在温度梯度，即忽略沿宽度方向上的温差；
(5)将球团料层视为同向多孔介质。
3.根据权利要求1所述的一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，其特征在于，当单球团矿的实际温度小于水分蒸发温度时，若气相中水蒸气密度超过饱和水蒸气密度，则水分蒸发的热效应根据所述的水蒸气冷凝模型求解；当检测到单球团矿的实际温度大于水分蒸发温度时，水分蒸发的热效应根据所述的水分蒸发模型求解。
4.根据权利要求1所述的一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，其特征在于，所述步骤3中，所述链篦机篦床篦板简化模型包括篦板热交换模型和篦板压力损失模型：篦板热交换模型可用局部热平衡模型来描述；篦板压力损失模型可用多孔阶跃模型来描述；具体如下：
篦板热交换模型：
篦板压力损失模型：
其中：εgp为篦板孔隙率；
ρgp为篦板密度，kg/m3；
Cgp为篦板比热容，J/(kg·K)；
Tgp为篦板温度，K；
kgp为篦板导热系数，J/(m·s·k)；
Δppg为压力损失，Pa；
α为篦板的渗透性，m2；
C2为压力跳跃系数，1/m2；
υ为垂直于篦板表面的速度分量，m/s；
Δm为篦板的厚度，m。
5.根据权利要求1所述的一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，其特征在于，所述步骤3中，所述球团料层能量方程如下：
当球团湿度Wp＞Wpc时，球团处于表面干燥阶段，球团表面温度由下式计算：
其中，为能量方程源项，表示球团内水分蒸发吸收的热量，由下式计算：
球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：Wp为球团湿度，kg/m3；
Wpc为球团临界湿度，kg/m3；
km为对流传质系数，m/s，由下式计算：
式中：DH2O为水蒸气扩散系数，m2/s；
Sc为气体施密特数，由下式计算：
为水蒸气饱和湿度，kg/m3；
Wg为气体湿度，kg/m3；
Mv为水的摩尔质量，kg/mol；
Rg为气体常数，J/(mol·k)；
当球团湿度Wp≤Wpc时，球团转变为内部干燥阶段，此时球团水分蒸发速率取决于球团湿芯表面温度Trc是否超过沸点；
当Wp≤Wpc和Trc＜100℃时，球团表面温度由下式计算：
ρs为球团密度，kg/m3；
Cpw为球团湿芯比热容，J/(kg·K)；
Cpd为球团干壳比热容，J/(kg·K)；
kpw为球团湿芯导热系数，W/(m·k)；
kpd为球团干壳导热系数，W/(m·k)；
球团干壳热传递的能量方程为：
R＜r＜rc
式中：R为球团半径，m；
Ar为半径为r的球的表面积，m2；
Vp为球团体积，m3；
球团蒸发前沿能量方程：
r＝rc
式中：Acore为球团湿芯表面积，m2；
其中，球团湿芯表面积由下式计算：
球团湿芯能量方程：
rc＜r＜0
球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：rc为球团湿芯半径，m；
Trc为球团湿芯表面温度，K；
Dff为水蒸气有效扩散系数，m2/s；
其中，球团湿芯半径rc由下式计算：
rc＝R(Wp/Wpc)1/3；
当Wp≤Wpc和Trc≥100℃时，球团料层的水分蒸发速率由下式确定：
式中：Kp为干壳相对渗透系数，取0.0003m/s；
p为气压，MPa。
6.根据权利要求1所述的一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，其特征在于，所述步骤3中，所述单球团矿数学模型如下：
(1)连续性方程：
(2)动量方程：
(3)能量方程：
式中：ρf为气体密度，kg/m3；
ε为球团料层孔隙率，无量纲，取0.39；
V为气体表观速度，m/s；
Sfc为连续性方程源项，表示球团料层水分蒸发而进入气体中的量，由下式计算：
p为气体体积平均压力，pa；
νe为气体有效粘性系数，kg/(m·s)；
νf为气体粘性系数，νe和νf相等；
Sfm为多孔介质阻力源项，表示气体流过多孔介质产生的压力差，即多孔介质阻力源项，具体表达式如下：
式中：CF为多孔介质的结构函数，定义为：
K为多孔介质渗透率，定义为：
dp为球团直径，m；
kf为气体导热系数，W/(m·k)；
hfs为气固对流换热系数，W/(m2·k)；
Ts为球团表面温度，K；
Afs球团比表面积，m2/m3，可通过下式求得：
Cf为气体比热容，J/(kg·K)；
气体导热系数kf由下式确定：
其中，球团表面气固热交换系数hfs可用下式求解：
普朗特数Pr由下式求得：
雷诺数Re由下式求得：
式中：υf为气流速度，m/s；
为气体能量方程源项，此处为水分蒸发带走的热量，由下式计算：
式中：ΔHw为单位质量水分蒸发的气化潜热，由下式计算：
7.根据权利要求1所述的一种预测链篦机鼓风干燥段球团干燥过程的数值计算方法，其特征在于，所述步骤4中，所述的工艺和控制参数包括不同料层厚度、篦床运行速度、气体入口流量、热气流状态参数。
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| 基于Fluent 的球团干燥过程仿真分析;郭建慧等;《信息技术》;20150228;第21-25页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109063320A (zh) | 2018-12-21 |
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