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技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及钢铁冶炼中球团矿烧结工艺
，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。
技术介绍
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专利技术专利、论文和产品介绍等文献，如宝山钢铁股份有限公司申请的专利技术专利“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专利技术专利“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(Ironmakingsteelmaking，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(MetallurgicalTransactionsB,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(Internationaljournalofmineralprocessing，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。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术方案是：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、球团料层能量方程本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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必要的、合理的简化和假设；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等；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，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。...

【技术特征摘要】
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，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必要的、合理的简化和假设；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等；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，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，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；球团湿芯半径rc由下式计算：rc＝Rp(Wp/Wpc)1/3。4.根据权利要求3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。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，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；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：G...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伯全，陈彩俊，张西良，李洋，修晓波，孙玥，史玉坤，周峰，张铭，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32