铁矿粉鼓泡流化床冷态模型实验与数值模拟研究.pdf

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1、铁矿粉鼓泡流化床冷态模型实验与数值模拟研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：朱奎松指导教师：郑忠教授专业：冶金工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二O一四年五月 CFDSimulationandExperimentalstudyonFluidizationVelocityofBubblingFluidizedBedswithIronOreFinesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster‘sDegreeofEngineeringByZhuKuiso

2、ngSupervisedbyProf.ZhengZhongSpecialty:MetallurgicalEngineeringCollegeofMaterialScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2014 中文摘要摘要高炉炼铁工艺流程长、依赖焦炭，并且能耗高、环境污染严重。随着焦煤资源的日渐匮乏和环保要求的日益严格，可以直接使用粉矿的流化床反应器受到更多的关注，成为低碳炼铁技术发展的重要方向之一。鼓泡流化床预还原反应器是铁矿粉流态化还原技术的重要组成部分，而流化床内气固两相流问题对反应器的设计和放大至关重要

3、，因此，开展铁矿粉鼓泡流化床内气固两相流问题的冷态模型实验及数值模拟研究具有重要意义。本文首先建立流化床冷态模型实验装置及系统；通过对同属B类颗粒的铁矿粉与玻璃珠两种颗粒的流化特性的比较实验，研究了不同表观气速下铁矿粉与玻璃珠鼓泡床床层的压降变化、气泡动力学行为特征，发现B类颗粒的铁矿粉与一般玻璃珠鼓泡床流化性质的共性与差异，以及铁矿粉颗粒易粉化的现象；模型实验研究还发现B类颗粒铁矿粉鼓泡床的流态化过程，是经历了初始流态化（微小气泡在床层表面生成，随表观气速增大而逐渐增大并下移）、过渡流态化（气泡在分布板表面形成，上升长大至表面破裂）和稳定流态化（气泡生成、长大至破裂呈周期性变化）三个阶段；针

4、对铁矿粉鼓泡流化床实验导致矿粉粉化，同时由于矿粉为非球形颗粒，基于传统最小流化速度与完全流化速度的实验判断方法和经验计算公式，均不能准确的预测铁矿粉鼓泡床临界流化速度，因此本文在传统实验判断方法的基础上结合局部压差分析和相关气速下的床层压降波动图得到铁矿粉鼓泡床临界流化速度的实验判断方法，同时采用相关经验预测公式为基础重新明确了分阶段临界流化速度（包括初始流化速度和稳定流化速度）计算公式的关键参数计算方法，以及过渡流化速度的计算公式（Grace公式），并给出了考虑粉化等影响的床层当量粒径的计算方法；采用巴西铁矿粉和澳矿粉不同粒径的鼓泡床进行了临界流化速度计算公式的应用与实验验证，达到预期效果；

5、考虑现实反应器的铁矿粉颗粒的粒径分布情况，进行了宽粒径分布对鼓泡床流化特性影响的实验研究，对Ｂ类颗粒范围内不同粒径的不同比例混合，以及B、D两类颗粒不同粒径不同比例的混合，以及两种性质的巴西铁矿粉和澳矿粉的鼓泡床进行研究，结果表明：宽粒径分布的铁矿粉鼓泡床流态化特征除了少数细颗粒高比例混合的组别的流态化特征具有差异外，其他混合组别的流态化特征与单一粒径的B类颗粒铁矿粉鼓泡床流化特征相似，说明铁矿粉鼓泡床主要是以非球型的宽粒径分布颗粒的床层特性作为其基本流化特征的；同时修正后的临界流化速度公式也适合于预测混合粒径的铁矿粉鼓泡床的临界流化速度。I 重庆大学硕士学位论文在实验研究的基础上，结合铁矿粉

6、鼓泡床的流化特性，基于Fluent软件建立铁矿粉鼓泡床的数学模型，通过对铁矿粉鼓泡床数学模型中恢复系数和曳力函数等的研究，引入自定义函数优化模型，并对时间步长、网格划分、等重要参数进行优化；对铁矿粉鼓泡床初始流化阶段和稳定流化阶段的流态化过程的数值模拟结果与实验结果具有一致性，同时数值模拟的气泡行为特征和固体颗粒速度矢量图也与文献中相关研究结果有相同规律，说明了所建立的数学模型方法的有效性，为进一步探究铁矿粉鼓泡床两相流特征，进行反应器的设计提供了手段。关键词：铁矿粉，鼓泡流化床，模型实验，数值模拟，流动特性II 英文摘要ABSTRACTIronmakingprocesslongerrelyc

7、okeandhighenergyconsumptionandseriousenvironmentalpollution.Withincreasinglyscarceandincreasinglystringentenvironmentalrequirementsofcokingcoalresourcescanbeuseddirectlyinthefluidizedbedreactorpowdero