基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法及系統(tǒng)，通過建立能夠完整描述物理法回收熔渣余熱過程中換熱的數(shù)值模型，計(jì)算出冷卻過程中熔渣顆粒的溫度分布，能夠反映顆粒冷卻的真實(shí)過程。所述方法包括：S1、建立粒化步CFD模型和流化床步CFD模型；S2、基于所述?；紺FD模型計(jì)算熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線，并基于所述流化床步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線；S3、將所述熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線和熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線結(jié)合起來作為熔渣顆粒溫度的邊界條件，利用Matlab軟件，根據(jù)導(dǎo)熱微分方程數(shù)值求解各個(gè)時(shí)刻熔渣顆粒的溫度分布。
【專利說明】
基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及能源與資源工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于物理法回收熔渣余熱的 換熱分析方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 冶金工業(yè)是耗能最高的產(chǎn)業(yè)之一。鋼鐵的生產(chǎn)伴隨有大量高溫熔渣排放，其溫度 高達(dá)1450~1550°C，蘊(yùn)含有豐富的余熱?；厥找苯鹑墼挠酂?，對(duì)于節(jié)能減排具有十分重要 的意義。目前，對(duì)熔渣余熱回收研究最為廣泛的是以轉(zhuǎn)輪法（RCA)、磁盤旋轉(zhuǎn)霧化器法 (SDA)、旋轉(zhuǎn)圓筒霧化器法(RCLA)等為代表的基于離心?；奈锢矸?，它們的共同特征是首 先利用高速旋轉(zhuǎn)輪盤等方法將高溫的熔渣破碎為高速飛行的顆粒，熔渣顆粒在飛行過程中 與從下方向上流動(dòng)的空氣接觸換熱并冷卻，而后顆粒進(jìn)入流化床中，并進(jìn)一步與空氣更加 充分地?fù)Q熱冷卻。其中，RCA法可將熔渣破碎為粒徑為2~5mm的顆粒，而SDA和RCLA法可將粒 徑減小到1~2mm甚至更小，有利于熔渣顆粒在余熱回收的過程中快速冷卻而形成玻璃相， 玻璃相的冷卻冶金熔渣顆粒可以作為水泥等工業(yè)的原料來回收利用。
[0003] 數(shù)值模型作為實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充，可以模擬一些實(shí)驗(yàn)室中不易達(dá)到的，或者較為危 險(xiǎn)的工業(yè)條件，便于系統(tǒng)的討論。例如Hadi Purwanto等人建立了一個(gè)模擬SDA法的數(shù)值模 型，其中對(duì)單個(gè)顆粒在空氣中的換熱過程利用導(dǎo)熱微分方程的數(shù)值解進(jìn)行了模擬分析； Junxiang Liu等建立起了轉(zhuǎn)杯(Rotary cup)法破碎過程的數(shù)值模型，對(duì)恪渣破碎的過程進(jìn) 行了模擬;Dongxiang Wang等建立起SDA法顆粒霧化過程的理論分析，并建立起了SDA法霧 化過程的數(shù)值模型;此外，孫永奇等在單絲實(shí)驗(yàn)（SHTT)的基礎(chǔ)上，建立了單個(gè)熔渣顆粒在 空氣中冷卻過程的CFD模型，利用Fluent軟件對(duì)其計(jì)算分析，考慮了顆粒的相變等諸多過 程。但截至到目前，關(guān)于熔渣余熱回收中換熱的數(shù)值模型，大都為模擬單個(gè)顆粒的冷卻過 程，與實(shí)際的物理法的過程具有很大差距，很難反映顆粒冷卻的真實(shí)過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱 分析方法及系統(tǒng)。
[0005] -方面，本發(fā)明實(shí)施例提出一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，包括：
[0006] S1、建立?；紺H)模型和流化床步CH)模型；
[0007] S2、基于所述?；紺H)模型計(jì)算熔渣顆粒在粒化步中的冷卻曲線，并基于所述流 化床步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線；
[0008] S3、將所述熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線和熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線 結(jié)合起來作為熔渣顆粒溫度的邊界條件，利用Matlab軟件，根據(jù)導(dǎo)熱微分方程數(shù)值求解各 個(gè)時(shí)刻熔渣顆粒的溫度分布。
[0009] 另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提出一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析系統(tǒng)，包 括：
[0010] 模型建立單元，用于建立粒化步CH)模型和流化床步CH)模型；
[0011] 曲線計(jì)算單元，用于基于所述?；紺FD模型計(jì)算恪渣顆粒在粒化步中的冷卻曲 線，并基于所述流化床步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線；
[0012] 分布計(jì)算單元，用于將所述熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線和熔渣顆粒在流化床 步中的冷卻曲線結(jié)合起來作為熔渣顆粒溫度的邊界條件，利用Matlab軟件，根據(jù)導(dǎo)熱微分 方程數(shù)值求解各個(gè)時(shí)刻熔渣顆粒的溫度分布。
[0013] 本發(fā)明實(shí)施例提供的基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法及系統(tǒng)，從物理法 回收熔渣余熱的實(shí)際過程出發(fā)，通過建立能夠完整描述物理法回收熔渣余熱過程中換熱的 數(shù)值模型，計(jì)算出冷卻過程中熔渣顆粒的溫度分布，與傳統(tǒng)的對(duì)單顆粒在空氣中換熱的數(shù) 值模型對(duì)比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理法回收熔渣余熱的換熱過程的實(shí)際過程的數(shù)值計(jì)算，能 夠反映顆粒冷卻的真實(shí)過程。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法一實(shí)施例的流程示意 圖；
[0015] 圖2為基于物理法回收熔渣余熱的示意圖；
[0016] 圖3為?；綄?duì)熔渣進(jìn)行冷卻的示意圖；
[0017] 圖4為流化床步對(duì)熔渣進(jìn)行冷卻的示意圖；
[0018] 圖5為由?；侥Ｐ偷贸龅念w粒冷卻曲線的示意圖；
[0019] 圖6為流化床步顆粒冷卻曲線的示意圖；
[0020] 圖7為實(shí)施案例（1)中顆粒中心溫度、平均溫度和表面溫度曲線的示意圖；
[0021 ]圖8為顆粒中心與表面溫度差變化曲線的示意圖；
[0022] 圖9為第一階段顆粒內(nèi)部溫度分布示意圖；
[0023] 圖10為第二階段顆粒內(nèi)部溫度分布示意圖；
[0024] 圖11為相變過程階段顆粒內(nèi)部溫度分布示意圖；
[0025]圖12為第三階段顆粒內(nèi)部溫度分布示意圖；
[0026] 圖13為冷卻過程中的表觀延滯時(shí)間與液、固相延滯時(shí)間的對(duì)比示意圖；
[0027] 圖14為實(shí)施例(3)中獲得的顆粒冷卻曲線的示意圖；
[0028]圖15為本發(fā)明一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析系統(tǒng)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有 做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0030]參看圖1，本實(shí)施例公開一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，包括：
[0031 ] S1、建立?；紺H)模型和流化床步CH)模型；
[0032] S2、基于所述粒化步CH)模型計(jì)算熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線，并基于所述流 化床步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線；
[0033] S3、將所述熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線和熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線 結(jié)合起來作為熔渣顆粒溫度的邊界條件，利用Matlab軟件，根據(jù)導(dǎo)熱微分方程數(shù)值求解各 個(gè)時(shí)刻熔渣顆粒的溫度分布。
[0034]本實(shí)施例提供的基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，從物理法回收熔渣余 熱的實(shí)際過程出發(fā)，通過建立能夠完整描述物理法回收熔渣余熱過程中換熱的數(shù)值模型， 計(jì)算出冷卻過程中熔渣顆粒的溫度分布，與傳統(tǒng)的對(duì)單顆粒在空氣中換熱的數(shù)值模型對(duì) 比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理法回收熔渣余熱的換熱過程的實(shí)際過程的數(shù)值計(jì)算，能夠反映顆 粒冷卻的真實(shí)過程。
[0035]如圖2所示為基于物理法回收熔渣余熱的示意圖，參看圖2,本發(fā)明將所有基于離 心?；奈锢矸ɑ厥杖墼酂岬膶?shí)際過程劃分為兩個(gè)主要部分，即?；胶土骰膊?。粒 化步為熔渣破碎為顆粒后，在空氣中飛行的過程。而流化床步則為顆粒在流化床中與空氣 進(jìn)一步接觸換熱并冷卻的過程。采用整體分析和局部分析的方法來進(jìn)行模擬，即首先將顆 粒近似為均溫，通過CFD模型計(jì)算分析整個(gè)流場(chǎng)，得到流場(chǎng)數(shù)據(jù)以及不考慮顆粒內(nèi)部溫度分 布時(shí)的顆粒冷卻曲線（即較為粗略的冷卻曲線）。然后，借助Matlab等基本的數(shù)學(xué)分析軟件， 將在CFD模型中計(jì)算得出的冷卻曲線當(dāng)作邊界條件，利用導(dǎo)熱微分方程求解顆粒冷卻過程 中內(nèi)部溫度分布隨時(shí)間的變化。即將一個(gè)復(fù)雜的，不易直接建模的問題劃分為了兩個(gè)容易 建模的問題，兩個(gè)部分相結(jié)合形成一個(gè)整體的模型。由CTO軟件和Matlab軟件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，可 以計(jì)算出物理法回收熔渣余熱過程中顆粒的冷卻曲線和獲得的熱空氣溫度，主要包含以下 步驟：
[0036] 步驟一、對(duì)整體流場(chǎng)的分析中，對(duì)?；胶土骰膊椒謩e建立一個(gè)二維CFD模型， 用以計(jì)算兩個(gè)主要步驟的整體流場(chǎng)和熱空氣溫度。兩部分的CFD模型和計(jì)算方法分述如下：
[0037] 101、?；侥Ｐ?。在CH)軟件中，不考慮顆粒內(nèi)部溫度的分布，將顆粒作為一個(gè)整 體，利用入射流(DPM)模型計(jì)算?；^程的換熱以及得到的熱空氣溫度。?；綄?duì)熔渣進(jìn)行 冷卻的示意圖如圖3所示。?；街杏扇墼扑槌深w粒的過程在CH)模型中被抽象成離散相 入射流（Injection)。使用經(jīng)典的Discrete Phase Model (DPM)模型進(jìn)行計(jì)算，將空氣視為 主相(連續(xù)相），由計(jì)算域的下方流入流場(chǎng)(流速依據(jù)實(shí)際過程的空氣流量確定）。而熔渣顆 粒視為L(zhǎng)agrange離散相，在計(jì)算域的合適位置以入射流的形式進(jìn)入?yún)^(qū)域中并與空氣換熱。 采用非穩(wěn)態(tài)迭代，使顆粒以恒定的速度和質(zhì)量流量不斷入射到計(jì)算域中，并取顆粒入射點(diǎn) 上方合適位置、垂直于空氣流向的平面作為參照面，并監(jiān)測(cè)該面上的空氣平均溫度(mass-average temperature) 。迭代計(jì)算到參照面上空氣的平均溫度穩(wěn)定為止。用CFD 軟件提供的 顆粒軌跡追蹤(partic 1 e track)的功能獲得顆粒在?；街械拇致岳鋮s曲線，并取參照面 的空氣平均溫度作為?；街蝎@得的熱空氣溫度的計(jì)算值。
[0038] 102、流化床步模型。在CFD軟件中，利用Euler多相流模型模擬顆粒在流化床上的 換熱過程。當(dāng)計(jì)算一個(gè)完整的過程時(shí)，將（1)中顆粒的末溫當(dāng)作本步顆粒的初溫。流化床步 對(duì)熔渣進(jìn)行冷卻的示意圖如圖4所示。流化床步中，由于顆粒的停留時(shí)間長(zhǎng)、堆積率高且運(yùn) 動(dòng)路徑不確定的特點(diǎn)，將流化床中的熔渣顆粒抽象為Euler多相流的第二相，使用Euler多 相流模型進(jìn)行計(jì)算。將空氣視為主相，恪渣視為顆粒狀(Granular)的第二相，空氣由計(jì)算域 的底部流入計(jì)算域中與熔渣顆粒進(jìn)行換熱。在計(jì)算一個(gè)完整的算例時(shí)，將?；降腃FD模型 中獲得的顆粒的末溫作為流化床步中的初溫。采用非穩(wěn)態(tài)迭代，迭代計(jì)算合適的時(shí)間，通過 監(jiān)測(cè)各個(gè)時(shí)刻區(qū)域內(nèi)熔渣(第二相)的平均溫度來獲得熔渣在流化床中的冷卻曲線，通過監(jiān) 測(cè)出口處的空氣平均溫度，并在整個(gè)過程中取平均值作為從流化床步中得到的熱空氣溫度 的計(jì)算值。
[0039]步驟二、建立一個(gè)計(jì)算熔渣顆粒在冷卻過程中顆粒內(nèi)部的溫度分布的Matlab程 序。將由CH)模型得到的?；胶土骰膊街蓄w粒的冷卻曲線結(jié)合起來作為邊界條件T (Ro， t) = g(t)，其中，g(t)為?；胶土骰膊街蓄w粒的冷卻曲線結(jié)合起來得到的冷卻曲線對(duì) 應(yīng)的溫度隨時(shí)間變化的方程，R〇為熔渣顆粒的粒徑，并在假定初始時(shí)刻顆粒內(nèi)部溫度均勻 分布的初始條件T(r，0)=T〇下，根據(jù)Fourier導(dǎo)熱微分方程
[0041 ]數(shù)值求解各個(gè)時(shí)刻顆粒內(nèi)部的溫度分布T = T(r，t)，其中，P為熔渣顆粒的密度，CP 為熔渣顆粒的比熱，X為熔渣顆粒的熱導(dǎo)率。
[0042]進(jìn)一步，基于在假定顆粒的各個(gè)物性始終為常數(shù)時(shí)的導(dǎo)熱微分方程的解析解：
[0044] 分析提出的顆粒中心和顆粒邊界的溫度在冷卻過程中的聯(lián)系一一延滯時(shí)間
，其中d為粒徑，a為熔渣的溫度擴(kuò)散系數(shù)(a = A/pCP)。其物理意義在 于:在經(jīng)過一定時(shí)間后，任一時(shí)刻顆粒中心的溫度相當(dāng)于顆粒表面在tdel時(shí)間之前的溫度。 即經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)間后，顆粒中心與邊界的溫度的關(guān)系近似滿足T(0，t) = T(Ro，（t-tdel))。它 是作為預(yù)測(cè)冷卻過程中顆粒內(nèi)部溫度差的一個(gè)重要的參考指標(biāo)。
[0045] 針對(duì)大量算例的計(jì)算結(jié)果分析了限制?；胶土骰膊街蓄w粒冷卻速率的主要 因素。在任何一個(gè)步驟中，顆粒的冷卻速率可表示為歐姆定律的形式，取決于換熱的動(dòng)力和 阻力的比值，即：
其中，Ts為顆粒的溫度，Tin為進(jìn)口空氣 溫度，ms為顆粒的質(zhì)量，CP,S為顆粒的熱容，qm, g為空氣的質(zhì)量流量，CP,g為空氣的熱容，Vs為步 驟中顆粒的總體積，hs為顆粒與空氣之間的換熱系數(shù)，Rm為取決于空氣質(zhì)量流量的熱阻，Rd 為取決于粒徑的熱阻。
[0047]其中換熱的動(dòng)力為顆粒與流入空氣的溫度差，換熱的阻力包含取決于粒徑的熱阻 以及取決于空氣流量的熱阻，二者類似于串聯(lián)電阻的關(guān)系，而換熱的速率主要有較大的熱 阻決定。在?；街?，顆粒堆積率低，R m遠(yuǎn)小于Rd，因此?；降膿Q熱速率主要取決于粒徑， 在粒徑較小時(shí)Rd有所減小，空氣流量方可對(duì)換熱速率具有一定的影響。而流化床步中，顆粒 堆積率高，心通常大于R d，因此流化床步的換熱速率主要取決于流化床中的空氣流量，在空 氣流量較高時(shí)I減小，粒徑方可對(duì)換熱速率具有一定的影響。
[0048] 可選地，在本發(fā)明基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法的另一實(shí)施例中，還 包括：
[0049] 根據(jù)第一時(shí)刻熔渣顆粒表面的溫度計(jì)算第二時(shí)刻該熔渣顆粒中心的溫度，其中， 所述第二時(shí)刻減所述第一時(shí)刻的值為d2/24a，其中，d為該熔渣顆粒的粒徑，a為熔渣顆粒的 溫度擴(kuò)散系數(shù)。
[0050] 本發(fā)明公開了一種利用cro和Mat lab軟件聯(lián)合對(duì)物理法回收熔渣余熱的建模和數(shù) 值計(jì)算方法，并對(duì)導(dǎo)熱微分方程的解析解做了進(jìn)一步分析。下面結(jié)合附圖并舉具體實(shí)施例 對(duì)本方法做進(jìn)一步說明：
[0051] 實(shí)施例(1)
[0052]本算例中，熔渣飛行區(qū)域(流化床步）的半徑為1.1m，熔渣的質(zhì)量流量為5kg/s(即 18t/h)，空氣質(zhì)量流量為2kg/s。熔渣的初溫為1500°C(1773K)，基本物性如表1所示。在粒化 步中，熔渣破碎為直徑1.5mm的顆粒，初速度為2m/s，拋射角為15°。
[0053] 表1熔渣基本物性
[0055]步驟一、通過CH)模型分析整體流場(chǎng)和顆粒的冷卻曲線。
[0056] (1)通過拉格朗日離散(DPM模型)計(jì)算熔渣顆粒在飛行過程中的冷卻曲線，由于區(qū) 域的對(duì)稱性，只計(jì)算一半的區(qū)域即可。計(jì)算域的寬度為1. lm，高度為9m，劃分為24750個(gè)正方 形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。高度5m處的空氣質(zhì)量流量平均溫度作為獲得的熱空氣平均溫度。顆粒的起 始入射點(diǎn)高度為3.5m，入射點(diǎn)到對(duì)稱面的最大距離取轉(zhuǎn)盤的半徑即70mm。顆粒到達(dá)壁面后， 即認(rèn)為顆粒進(jìn)入了流化床中，離開了計(jì)算區(qū)域，因此壁面條件處理為吸附而不是反彈。顆粒 的初始溫度均取1773K，而空氣的溫度取300K，在區(qū)域內(nèi)湍流度依據(jù)Standard k-e模型。以 0.005s為時(shí)間步長(zhǎng)，迭代3000步（即15s)左右區(qū)域內(nèi)流動(dòng)即可穩(wěn)定。
[0057]熔渣從破碎成顆粒以后，在進(jìn)入流化床之前具有近似拋物線形的運(yùn)行軌跡，顆粒 在本步內(nèi)飛行的時(shí)間為〇 . 615s，溫度從初始的1773K降到1474.88K。而由計(jì)算區(qū)域半徑 1.1m，顆粒初始線速度2m/s及拋射仰角15度，可以得出顆粒在只有重力作用時(shí)理論的飛行 時(shí)間為0.569s，因此顆粒的飛行時(shí)間較理論值略有延長(zhǎng)，這是由于顆粒直徑較小，受到風(fēng)阻 和湍流的影響所致。?；街蓄w粒的冷卻曲線如圖5所示。橫軸表示顆粒的飛行時(shí)間。在粒 化步中顆粒的冷卻速度基本是均勻的，具有非?？斓钠骄鋮s速度，達(dá)469K/S，但由于本步 顆粒只能冷卻到1474K，相變過程尚未開始，因此這一步的快速冷卻并不能對(duì)冷卻后的顆粒 的玻璃相的含量有顯著的影響。因此，在這個(gè)條件下，冷卻后熔渣的玻璃相含量主要取決于 后面的流化床的冷卻過程。在參照面上對(duì)空氣計(jì)算質(zhì)量流量平均溫度可得余熱回收獲得的 熱空氣平均溫度。
[0058] (2)通過Euler多項(xiàng)流模型計(jì)算恪渣顆粒在流化床上的冷卻過程。計(jì)算域取0.15m 寬、2m高（即足夠高）的區(qū)域，劃分為12000個(gè)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。氣流從計(jì)算區(qū)域的下方流入，從上 方流出，空氣流量取〇.1364kg/s，即使得空氣的流速與?；街邢嗤?。初始時(shí)刻，顆粒集中 在下方0.15m高的范圍內(nèi)，根據(jù)假定顆粒平均在流化床中停留30s為標(biāo)準(zhǔn)，按照顆粒的質(zhì)量 流量可以算出初始時(shí)刻顆粒的堆積率為0.1623。流化床中顆粒的初溫為顆粒進(jìn)入流化床時(shí) 的溫度，本步的初溫為粒化步中顆粒的最低溫度，即1474.88K。進(jìn)口空氣溫度均為300K。迭 代的時(shí)間步長(zhǎng)為0.002s，以區(qū)域內(nèi)顆粒的平均溫度作為本時(shí)刻顆粒的溫度。
[0059]計(jì)算得到的本步顆粒冷卻曲線如圖6所示。計(jì)算結(jié)果表明，熔渣在流化床上從 1484K冷卻到約900K的平均冷卻速度只有14K/s左右，遠(yuǎn)低于在?；綍r(shí)的冷卻速率。
[0060]步驟二、用Matlab程序計(jì)算任一時(shí)刻顆粒內(nèi)部的溫度分布。將兩步的CFD模型中 得到的顆粒的冷卻曲線結(jié)合作為邊界條件，利用導(dǎo)熱微分方程數(shù)值求解顆粒冷卻過程內(nèi)部 的溫度分布。假定顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持球形，將顆粒內(nèi)部劃分為100個(gè)同心區(qū)域，在 每個(gè)區(qū)域中將導(dǎo)熱微分方程差分離散求解。得到了任意時(shí)刻顆粒內(nèi)部的溫度分布，即T = T (r，t)。其中顆粒經(jīng)歷的時(shí)間t的含義為:在?；竭^程中，經(jīng)歷的時(shí)間即為粒化步內(nèi)顆粒已 經(jīng)經(jīng)歷的飛行時(shí)間，而?；浇Y(jié)束進(jìn)入流化床后，顆粒經(jīng)歷的時(shí)間即為在?；絻?nèi)的飛行 時(shí)間與在流化床步已經(jīng)經(jīng)歷的時(shí)間之和。
[0061 ] 分別固定r = 0和r = R〇,得到的關(guān)于時(shí)間的函數(shù)T = T(0，t)和T = T(R〇，t)即分別代 表顆粒的中心溫度和邊界溫度隨時(shí)間的變化過程。此外，對(duì)任意時(shí)刻的顆粒溫度求平均值：
[0063]顆粒的中心溫度、平均溫度和表面溫度的曲線如圖7所示。此外，顆粒中心與表面 之間的溫度差如圖8所示?？梢钥闯?，顆粒的冷卻過程很明顯地分為三個(gè)階段:在前5s內(nèi)，顆 粒冷卻的速度較快，顆粒中心與邊界之間出現(xiàn)很大的溫度差，在t = 0.615s即顆粒?；浇Y(jié) 束進(jìn)入流化床時(shí)溫度差達(dá)到最大值289.4K，進(jìn)入流化床后溫度差迅速減少。在5s~15s之 間，顆粒以大致均勻的速度冷卻，中心與邊界的溫度差略有下降但基本保持恒定。在t = 15s 時(shí)，顆粒中心與邊界的溫度差再次出現(xiàn)明顯的下降，此后的冷卻過程顆粒內(nèi)部的溫度差維 持在非常低的水平，幾乎是均溫的。
[0064]若固定時(shí)間t討論溫度隨半徑r的變化，則得到該時(shí)刻下顆粒內(nèi)部的溫度分布，如 圖9至12所示，四張圖片分別展示了第一階段、第二階段、相變過程中和第三階段顆粒內(nèi)部 的溫度分布?？梢钥吹?，在顆粒?；胶蛣傔M(jìn)入流化床的階段，冷卻過程從邊界處啟動(dòng)，并 逐步向中心區(qū)域拓展，直到顆粒內(nèi)部的冷卻速率逐步與邊界同步為止。在第二階段，顆粒內(nèi) 部以大致以均勻一致的速度冷卻，并且內(nèi)部溫度呈現(xiàn)拋物線形分布。在t = 15s前后是顆粒 的相變階段，從(c)部分中能鮮明地看出顆粒由邊界向中心逐步發(fā)生相變的過程，已相變的 區(qū)域溫度分布顯著地比尚未相變的區(qū)域平緩。相變過后，顆粒繼續(xù)以均勻一致的速度冷卻， 內(nèi)部溫度呈現(xiàn)比未相變階段弧度小的拋物線形。從顆粒的物性很容易算出顆粒內(nèi)部冷卻過 程的"延遲時(shí)間"在液相階段和固相階段分別為1.448s和0.193s。定義冷卻的"表觀延滯時(shí) 間" A ta為中心與表面的溫度差與顆粒當(dāng)前平均溫度的降低速度的比值，即：
[0066]顆粒冷卻過程中的表觀延滯時(shí)間與延滯時(shí)間的對(duì)比如圖13所示，在第二階段和第 三階段冷卻速率穩(wěn)定時(shí)，表觀延滯時(shí)間分別于液相和固相的延滯時(shí)間相吻合。
[0067]實(shí)施例⑵
[0068] 同實(shí)施例（1)的過程，但將粒徑減小為0.5mm。與實(shí)施例（1)對(duì)比，可得到粒徑對(duì)熔 渣余熱回收過程的影響。
[0069] 實(shí)施例(3)
[0070] 同實(shí)施例（1)的過程，但將兩步的空氣流量均增加一倍。得到的顆粒冷卻曲線如圖 14所示。與實(shí)施例（1)對(duì)比，可得到空氣流量對(duì)熔渣余熱回收過程的影響。
[0071] 參看圖15,本實(shí)施例公開一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析系統(tǒng)，包括：
[0072] 模型建立單元1，用于建立?；紺H)模型和流化床步CH)模型；
[0073]曲線計(jì)算單元2,用于基于所述?；紺H)模型計(jì)算熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲 線，并基于所述流化床步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線；
[0074]分布計(jì)算單元3，用于將所述熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線和熔渣顆粒在流化 床步中的冷卻曲線結(jié)合起來作為熔渣顆粒溫度的邊界條件，利用Matlab軟件，根據(jù)導(dǎo)熱微 分方程數(shù)值求解各個(gè)時(shí)刻熔渣顆粒的溫度分布。
[0075]本發(fā)明具有如下有益效果：
[0076] 1)與傳統(tǒng)的對(duì)單顆粒在空氣中換熱的數(shù)值模型對(duì)比，本方法從物理法回收熔渣余 熱的實(shí)際過程出發(fā)，提出了由(FD和Matlab軟件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)物理法回收熔渣余熱過程的模 型建立和數(shù)值計(jì)算方法一一兩步法。實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理法回收熔渣余熱的換熱過程的實(shí)際過程 的數(shù)值計(jì)算，并與工業(yè)數(shù)據(jù)有較好的符合度。
[0077] 2)在假定顆粒的物性不隨溫度變化的前提下，通過對(duì)求解顆粒內(nèi)部溫度分布的導(dǎo) 熱微分方程的解析解進(jìn)行了推導(dǎo)和分析。提出了體現(xiàn)在物理法回收熔渣余熱中，顆粒在冷 卻過程中其中心和表面溫度之間的關(guān)系的重要參考量一一延滯時(shí)間t del，是預(yù)測(cè)冷卻過程 中顆粒內(nèi)部溫度差的一個(gè)重要的參考指標(biāo)。
[0078] 3)根據(jù)大量的算例計(jì)算結(jié)果，對(duì)限制?；胶土骰膊街蓄w粒冷卻速率的主要因 素進(jìn)行了分析，得出了?；街袚Q熱效率主要取決于粒徑，而流化床步中換熱效率主要取 決于空氣流量的結(jié)論，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用具有明確的指導(dǎo)意義。
[0079]雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā) 明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求 所限定的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，其特征在于，包括： 51、 建立?；紺FD模型和流化床步CFD模型； 52、 基于所述?；紺H)模型計(jì)算熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線，并基于所述流化床 步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線； 53、 將所述熔渣顆粒在粒化步中的冷卻曲線和熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線結(jié)合 起來作為熔渣顆粒溫度的邊界條件，利用Matlab軟件，根據(jù)導(dǎo)熱微分方程數(shù)值求解各個(gè)時(shí) 刻熔渣顆粒的溫度分布。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，其特征在于，所述 粒化步CFD模型采用CR)軟件中的DPM模型，所述流化床步CR)模型采用CFD軟件中的Euler多 相流模型。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，其特征在于，所述 基于所述粒化步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線，包括： 將空氣視為主相，由計(jì)算域的下方流入流場(chǎng)，將恪渣顆粒視為L(zhǎng)agrange離散相，在計(jì)算 域的指定位置以入射流的形式進(jìn)入?yún)^(qū)域中并與空氣換熱，基于所述DPM模型采用CH)軟件提 供的顆粒軌跡追蹤的功能獲得顆粒在?；街械睦鋮s曲線。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，其特征在于，所述 基于所述?；紺FD模型計(jì)算熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線，還包括： 取顆粒入射點(diǎn)上方指定位置、垂直于空氣流向的平面作為參照面，采用非穩(wěn)態(tài)迭代法 計(jì)算該參照面上的空氣平均溫度直至迭代計(jì)算得到的該參照面上的空氣平均溫度穩(wěn)定為 止，并取迭代計(jì)算得到的該參照面上的空氣平均溫度作為粒化步中獲得的熱空氣的溫度。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，其特征在于，所述 基于所述流化床步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線，包括： 將熔渣顆粒視為Euler多相流的第二相，將空氣視為主相，由計(jì)算域的底部流入計(jì)算域 中與恪渣顆粒進(jìn)行換熱，基于所述Euler多相流模型，采用非穩(wěn)態(tài)迭代法計(jì)算計(jì)算域中恪渣 顆粒的平均溫度，并將熔渣顆粒的平均溫度作為本時(shí)刻熔渣顆粒的溫度，基于各個(gè)時(shí)刻熔 渣顆粒的溫度得到熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，其特征在于，所述 基于所述流化床步CFD模型計(jì)算恪渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線，還包括： 通過監(jiān)測(cè)出口處的空氣平均溫度，并在整個(gè)過程中空氣平均溫度取平均值作為流化床 步中獲得到的熱空氣的溫度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析方法，其特征在于，還包 括： 根據(jù)第一時(shí)刻熔渣顆粒表面的溫度計(jì)算第二時(shí)刻該熔渣顆粒中心的溫度，其中，所述 第二時(shí)刻減所述第一時(shí)刻的值為d2/24a，其中，d為該熔渣顆粒的粒徑，a為熔渣顆粒的溫度 擴(kuò)散系數(shù)。8. -種基于物理法回收熔渣余熱的換熱分析系統(tǒng)，其特征在于，包括： 模型建立單元，用于建立?；紺FD模型和流化床步CFD模型； 曲線計(jì)算單元，用于基于所述粒化步CH)模型計(jì)算熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線，并 基于所述流化床步CFD模型計(jì)算熔渣顆粒在流化床步中的冷卻曲線； 分布計(jì)算單元，用于將所述熔渣顆粒在?；街械睦鋮s曲線和熔渣顆粒在流化床步中 的冷卻曲線結(jié)合起來作為熔渣顆粒溫度的邊界條件，利用Mat Iab軟件，根據(jù)導(dǎo)熱微分方程 數(shù)值求解各個(gè)時(shí)刻熔渣顆粒的溫度分布。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK105893762SQ201610204881
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】劉謙益, 孫永奇, 張作泰
【申請(qǐng)人】北京大學(xué)