高温异质离散运动颗粒间的传热传质机理研究

2008年我国高炉渣排量高达2亿吨，1400℃－1600℃的高炉渣经高压水冲碎、降温、淋干后，有1千万吨标准煤左右的热量被浪费，浪费2亿吨补给水，约产生40万吨的硫化氢、二氧化硫等有害气体。另一方面，在生物质能源生产过程中，因耗能大、生产成本高等制约着我国7亿多吨农林废弃生物质转化为生物质能的产业化。所以，通过回收高炉渣余热来进行生物质热裂解的研究势在必行，效益巨大。然而，其中涉及到的高温异质离散运动颗粒间传热传质机理方面的研究尚属空白。本研究旨在建立高温高炉渣颗粒与生物质颗粒混合运动的离散颗粒流动模型，研究颗粒流速、颗粒轨迹的空间分布和层间空隙率、颗粒配位数的概率分布；建立高温高炉渣颗粒与生物质过渡体颗粒热交换过程的高温异质离散颗粒传热模型，研究高温离散运动颗粒的传热传质机理，为高炉渣非水冲粒化的高温颗粒与生物质颗粒热裂解的关键技术的开发奠定奠定理论基础。

高炉渣是钢铁生产过程的主要副产品，具有大量显热。本项目提出通过干法离心粒化将液态炉渣制备成液—固过渡态的高温炉渣颗粒，作为生物质热解热载体，实现对炉渣显热的回收和转换，将低品位的液态炉渣余热转换成高品位的生物质能。本项目采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方法，对高温异质颗粒间的热质传递机理进行研究，取得了如下成果：.　　建立了高炉渣干法离心粒化数学模型，研究了高炉渣的离心破碎机理，通过模拟与实验研究，掌握了离心粒化器结构、粒化器转速、熔渣温度、流速、换热介质流速和初始温度参数与高炉渣粒化颗粒粒径之间的定量关系,对高炉渣干法离心粒化理论和颗粒凝固过程的数值模拟结果进行实验验证。.　　建立了高温炉渣颗粒的过渡体模型,研究了高炉熔渣粒化颗粒的凝固动力学理论; 利用FLUENT软件对高炉渣粒化过程和凝固过程进行数值模拟，研究风速、粒化颗粒直径和初始空气温度等参数对颗粒凝固速率的影响，从模拟的结果以及对模拟结果的分析可得，高炉渣粒化颗粒的直径及风速是影响颗粒降温过程的两个主要因素。.　　建立了高温异质颗粒的离散运动模型，得出了热载体和生物质粒子间的离散运动规律; 建立了高温异质颗粒的接触传热传质模型，明确了颗粒间的传热传质规律。. 建立了以高炉渣颗粒为热载体的旋转锥生物质热解制取生物油实验平台，通过单因素或多因素正交实验，明确了高炉渣温度、粒径、旋转锥倾角、转速等参数与获取高产率生物油的内在联系机制。当以松木生物质为原料，高炉渣温度为650℃、粒径小于2mm,生物质粒径小于0.075mm、旋转锥倾角为45°时生物油的产率最大，达到57.3%。