球团矿在链篦机中预热过程的数值模拟

王文煜 刘星安 赵 魏 陈士超

（洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，洛阳 471039）

球团矿在链篦机中预热过程的数值模拟

王文煜 刘星安 赵 魏 陈士超

（洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，洛阳 471039）

链篦机是球团矿生产的重要主机设备之一，其主要作用是对生球团进行干燥和加热。本文采用计算流体动力学软件FLUENT，使用多孔介质模型对加热过程中的链篦机内球团料层的加热过程做了非稳态数值模拟，分析了链篦机内料层的温度分布和不同风箱内热风的流动规律。

链篦机 球团矿 多孔介质 数值模拟

链篦机-回转窑-环冷机球团工艺，是目前世界上普遍采用的球团矿生产工艺之一。链篦机是对生球进行干燥预热的重要设备。在设计和生产中，比较关心生球层在链篦机各段温度情况[1-3]。然而，在链篦机内，不仅传导、对流及辐射3种热交换方式同时存在，而且还发生物料的输送、氧化等物理化学过程，实时监控或理论计算都有很大难度。为解决此问题，本文应用计算流体动力学软件FLUENT，对链篦机内料层的加热过程进行计算，并分析料层的温度分布及不同风箱内热风的流动规律。

1 多孔介质模型

料层随篦床在链篦机内运动，实现加热过程。当热风流过料层时，与料层之间有热交换，料层同时也阻碍了气流的运动。针对这种离散的、带有一定空隙率的物料，可采用多孔介质模型（Porous Media Model）来模拟气流对料床的阻力及热交换现象。多孔介质模型将物料层视为连续体，通过在料层中加入惯性阻力和粘性阻力参数来实现物料对气流的阻隔作用。

多孔介质模型一般用来模拟内部有空隙分布的固体物质区域[4]，认为多孔介质区域仍是连续的，通过采用经验公式定义多孔介质上的流体流动阻力，即在动量方程中增加一个代表动量消耗的源项来表示。第一项表示粘性损失项，第二项表示惯性损失项，为：

其中，Si是i方向动量方程的中的源项；μ是粘度；|v|是速度的大小；1/α是粘性阻力参数，一般用D表示；C2是惯性阻力系数。粘性阻力系数D和惯性阻力系数C2与颗粒平均粒径和多孔介质区域内的空隙率有关。

这两个系数可根据下面公式计算得到：

其中，Dp是颗粒的平均粒径，ε是料层的空隙率。

惯性阻力系数C2则为：

为便于计算，假设料层厚度始终是一致的。

2 计算模型和数值方法

2.1 几何模型

链篦机风箱共分4段，分别是抽风干燥I段、抽风干燥II段、预热I段和预热II段，如图1所示。进入各风箱的气流温度不同，分别实现了生球料层进行脱水、干燥和预热的过程。篦床承载并带动球团料层在各加热段运动，使篦床上的球团料层运动平移通过各加热段。抽风干燥I段、抽风干燥II段使球团脱水、干燥，预热I段和预热II段进行干燥和氧化，最后球团物料从篦床末端进入回转窑中进行煅烧。

图1 链篦机示意图

链篦机是轴对称结构，可建立1/2模型进行分析。如图2所示，左侧为链篦机中的流体域，中间长条区域为料层。本文将对球团料层在某一稳定时刻，链篦机内空气及料层各段温度场及速度场进行分析。模型认为物料是均一的，并假设料层的平动速度等于篦床的运行速度。

图2 链篦机计算用几何模型

图3则表示第2段料层完全处于链篦机各段的情形，是整个料层处于干燥、预热过程中的一个典型状态。

图3 链篦机料床运动情况示意图

2.2 网格及计算模型说明

按照上述几何模型建立网格模型，如图4所示。采用FLUENT 软件中的k-ε模型进行计算，同时使用六面体网格和四面体网格对计算域进行网格划分。

图4 链篦机热工分析网格模型

3 计算结果及 分析

图5为在1265s时刻第2段料层温度场整体分布。球团料层从右至左运动，相继经过抽风干燥I段、抽风干燥II段、预热I段和预热II段，完成整个干燥和预热过程。

对链链蓖机各截面进行各段风箱及料床的温度分析。抽风干燥I段，250℃热风从上部进入，上风箱的温度在190～225℃左右，料层经该段干燥后温度可达169℃；在抽风干燥II段，350℃的热风由上部风箱进入，料层在这段末尾的温度达到258℃；在预热I段，高温热风温度为700℃，料层温度可达463℃；在预热II段，风温为1050℃，料层被加热的温度最高达到940℃。

图5 链篦机内部气流和料床温度分布

图6为链篦机内气流速度分布状况。干燥、加热球团料层的热风均从抽风干燥I段，II段和预热I段从风箱上部的进风口进入，穿过料层后由下部风箱的出风口抽出；而预热II段的进风口位于该段末端截面，气流运动规律有所区别。

图6 1265s时链篦机内气流速度分布情况

图7为热风进入抽风干燥I段的气流轨迹运动分布。进风口截面积较小，风速23～30m/s左右。当热风接触到料层表面时，流股截面逐渐扩大，一部分热风通过料层，另一部分仍然在上风箱中向四周蔓延，并在左右两侧形成漩涡区，对料层进行加热。

图8是从窑尾沿预热II段尾部进气口进入预热II段的气流分布。由于入口截面积较大，速度分布在12～15m/s左右。预热II段较长，热风进入该段后，下部的热风较快通过料层，中部和上部的热风向前运动距离较长，与上风箱内空气进行动量交换后，气流速度减小，运动趋向料层方向改变，最终穿过料层，进入下风箱。

图7 链篦机内抽 风干 燥I段气流速度分布

图8 链篦机内预热II段气流速度分布

图9 预热II段入口位置温度 场分布（优化前）

图10 预热II段入口位置温度场分布（优化后）

4 结构及工艺优化

根据所建立的链蓖机k-ε模型，通过改变链蓖机工艺参数和结构参数，可直观表达物料在某时刻某位置的温度场分布情况。图9和图10为预热II段入口位置在改 进结构和风压后的料层温度场分布的对比图。由图可知，优化后物料的温度场明显改善。

5 结论

（1）通过利用计算流体动力学软件FLUENT，计算得到链篦机内气体、料层温度分布和不同的气流运动速度情况；

（2）直观得到风箱内可能存在漩涡区的位置，为优化链蓖机内部结构设计提供参考；

（3）利用各截面温度分布，可快速响应结构和工艺参数改变后物料温度变化，为设计和运行参数调整做指导，提高设计效率。

[1]叶匡吾.大力推进我国球团矿的生产[J].冶金管理，2007，（10）：10-13.

[2]严纪文，李军，曾才兵.邯钢200万t/a链篦机-回转窑氧化球团生产线试生产实践[J].烧结球团，2006，（1）：47-51.

[3]BF Inc.FLUENT User's Guide[S].Fluent Incorporated，Lebanon Nh，2010：7-24.

Numerical Simulation of Preheating Process in the Grate Pellet at the Beginning

WANG Wenyu,LIU Xingan,ZHAO Wei,CHEN Shichao
(Luoyang mining machinery engineering design & Research Institute Co., Ltd., Luoyang 471039)

The chain grate machine is the production of pellets is one of the important host device, its main role is on green pellet drying and heating. The computational fluid dynamics software FLUENT, using porous media model in the heating process of chain grate pellet material layer of the heating process do unsteady numerical simulation, flow pattern of chain grate bed temperature distribution and different bellows in the hot air has been analyzed.

chain grate, pellets, porous media, numerical simulation