转杯法高炉渣粒化实验研究

由于目前采用的水淬法工艺不能有效地回收利用高炉渣中的能量,因此针对转杯法炉渣粒化工艺,研究了转杯转速、直径和熔渣温度对破碎粒化后渣粒的平均直径和质量分布的影响规律.结果表明:渣粒的平均直径随转速的提高而减小;增大转速,渣粒将远离转杯,其质量分布更均匀.当转杯的转速小于1 000 r/min时,渣粒的平均直径随转杯直径的增大而减小,当转杯的转速大于1 000 r/min时,渣粒的平均直径几乎不随转杯直径变化.熔渣温度对渣粒平均直径和质量分布没有影响.     

高炉熔渣喷射粒化方法及模拟试验研究

提出了一种利用文丘里管喷射粒化高炉熔渣的方法,选用与高炉熔渣的凝固特性较为相似的熔融白砂糖进行粒化模拟实验.研究了喷管收缩段的收缩角度、喉部长度以及射流速度对粒化效果的影响.实验结果发现:表面张力和黏度较大的熔融白砂糖被喷射凝固产物主要为颗粒,并伴随少量丝状物,绝大部分颗粒粒径小于5mm,丝状物直径在0.1mm左右.随着射流速度的增大,颗粒更加均匀,粒径也更小,而丝状产物随射流速度增大呈先增多后减少的现象.喷管喉部不宜过长,否则产生的颗粒粒径较大,且丝状产物多.增大收缩角,可减小颗粒粒径和减少丝状物生成量.通过合理选择喷管几何参数和射流速度,可以有效粒化熔融液,同时使得丝状产物生成量较小.砂糖实验表明,可使丝状物产量小于1%,几乎所有颗粒粒径均小于5mm.     

熔渣对刚玉-尖晶石浇注料侵蚀的热化学模型研究

采用FactSage软件研究1 600 ℃时熔渣对刚玉-尖晶石浇注料侵蚀的热化学模型,并采用静态坩埚试验法,通过SEM、EDS分析手段对热化学模型进行验证.结果表明,熔渣与刚玉-尖晶石浇注料的热化学模型能计算出熔渣与耐火材料反应后界面处出现的物相及其含量,进而能推测渣/耐火材料之间隔离层的形成情况;能预测熔渣成分的变化情况,进而推测出渣层的主要物相;模拟结果与试验结果相吻合.熔渣与骨料和基质分别发生局部反应,在刚玉骨料表面,Al2O3与熔渣中的CaO形成CA6隔离层,使骨料向渣中溶解成为间接溶解;而在基质与渣界面无隔离层形成,使基质向渣中溶解成为直接溶解.     

基于物料品质调控的高温熔渣余热回收能质传输机理

该研究组利用高温熔渣相变冷却实验装置完成了一系列高炉渣颗粒相变冷却与物性结构演变实验,获得了风冷高炉熔渣化学组成对物相结构及活性变化的影响;分析了风冷渣形成工艺参数对其结构及性能的影响;探讨了风冷高炉渣的水化性能。结果表明:四元碱度是高炉渣玻璃体含量和7天活性指数的重要影响因素,Si O2/Al2O3比影响28天活性指数,出渣温度影响玻璃体含量,保温时间和冷却风速影响活性指数。高炉渣降低水泥的水化放热速率,适量结晶对其水硬活性有益。建立了熔渣颗粒相变冷却的传热模型,应用温度法模型、VOF方法和凝固/熔化模型及辐射模型,研究了换热条件、流体温度、颗粒变物性和颗粒尺寸等对颗粒相变冷却换热的影响规律,获得颗粒凝固的相变动态过程及不同组合工况下的颗粒凝固时间。提出了在空气冷却基础上辅以喷雾冷却的转杯粒化干式余热回收新方法,并对喷雾冷却过程中单个液滴撞击固壁机理进行了实验研究和数值模拟。结果表明:熔渣颗粒内部的冷却速率存在较大差异,粒径是影响颗粒换热的关键因素;换热系数在横向直径处、迎风滞止处及背风面回流处获得较大值。搭建了液态物料离心粒化特性可视化实验台,前期以水为工质研究了转杯粒化过程中液滴的形成机理,获得了液滴形态及分布等信息,探讨了转杯转速、工质流量、转杯结构对粒化液滴的粒径分布和平均粒径的影响规律,结果表明:高转速和小流量下液滴直径小;浅和小内倾角转杯粒化效果较好。搭建了高炉渣离心粒化余热回收系统,拟在此基础上深入研究熔渣颗粒形成机理、颗粒运动及流化特性、气固换热特性以及颗粒最终物相品质等相关问题,揭示各相关因素对熔渣颗粒的影响规律以及获得兼顾余热回收和物料品质的系统运行最佳工况。     

板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟

基于VOF算法,建立了板式蒸发式冷凝器气-液两相降膜流动传热传质的计算模型,该模型考虑了表面张力动量源项和气-液相间传热传质源项．并利用该模型,定量分析了不同壁面热流密度、液相进口温度和空气速度下竖直板面的温度分布、气-液界面处潜热和显热换热量的相对关系．计算结果显示,液膜和空气内温度随壁面热流密度的增大而增大,在气液界面处,温度梯度存在不连续;气-液相界面处的换热主要形式为水蒸发传质引起的潜热换热为主、空气显热传热为辅,并且传热热阻主要集中于水膜内;并且随风速的增加,相间传质量也随之增大．     

不同熔渣下铝镁质材料渣蚀机理研究

选取冶炼取向硅钢和铝镇静钢的精炼终渣及钢包用铝镁质材料,采用静态坩埚法于1 600 ℃×3 h下进行熔渣侵蚀试验,对渣蚀后试样作显微结构分析,并测定熔渣的化学成分、熔化温度及黏度.结果显示,随着熔渣中wAl2O3的升高和碱度的增大,熔渣的熔点升高,黏度增大.黏度较大的熔渣与耐火材料接触后扩散较慢,对耐火材料的熔损和渗透减弱.当熔渣与耐火材料反应形成较多的高熔点CA2,CA6和MA尖晶石相且连续交错分布时,耐火材料表面粗糙度增大,浸润加剧.钢包循环使用,熔渣与耐火材料进行新一轮的渗透与溶解,最终侵蚀得到抑制,呈现粘渣状态.     

薄膜蒸发器内流场分布与传输特性数值模拟研究

为深化薄膜蒸发器内液料传输特性方面的研究，通过Fluent数值模拟软件建立薄膜蒸发器内气液两相流三维稳态数值模拟模型，探究薄膜蒸发器内液料的径向混合和轴向传输特性，并进一步探讨液料黏度对这两个方向传输特性的影响。结果表明：圈形波与液膜的交界处为层流且夹带大量气体；圈形波的轴向流速比液膜快，并在轴向传输过程中剪切稀化，促进液料的径向混合，液料逐渐进入液膜，圈形波当量直径不断减小；液料黏度增大后，交界处的气体夹带量增多，圈形波的尺寸随之增大但轴向减小趋势不变，且减小的速度变慢；液料黏度的增大使得圈形波与液膜间的径向混合受到抑制，圈形波逐渐变成轴向传输的主力。     

SiO_2纳米颗粒强化的CO_2泡沫压裂液体系

随着CO_2泡沫压裂技术的发展,传统聚合物增稠型泡沫强化剂暴露出难破胶、高残渣、伤害地层等问题。将SiO_2纳米颗粒作为CO_2泡沫压裂液的新型强化剂,系统研究强化泡沫的界面流变性、生成及稳定性、黏度、滤失及伤害性。结果表明:SiO_2纳米颗粒吸附在泡沫气液界面上增大了界面粗糙度,并提升了高温高压下界面黏弹模量,增强了泡沫液膜抵抗及恢复形变能力;虽然强化泡沫的生成能力减弱,但泡沫在高温高压下的稳定性获得显著提升,且其生成能力随压力增大而增强;泡沫质量分数为50%～93%时,0.5%的SiO_2纳米颗粒将泡沫有效黏度提高了2.2～4.8倍,同时泡沫滤失控制能力增强,气、液相滤失系数对渗透率的敏感性减弱;强化泡沫具备低伤害性。     

动量比对单排槽针栓喷注器雾化特性的影响

为了获得单排槽气液针栓喷注器的破碎过程和雾化特性,通过试验和数值仿真方法研究了不同动量比下的破碎变形过程、雾场浓度和粒径分布。结果表明,径向液束在轴向气膜的剪切作用下发生变形和破碎,穿透深度和破碎长度均随着动量比的提高而增大;雾场中心的浓度随动量比提高而降低,使得雾场中心接近空心;随着局部动量比的提高,液滴粒径的最大值逐渐增大,液滴粒径的最小值逐渐减小,液滴的粒径范围逐渐拓宽;雾场液体浓度和粒径沿周向分布有相邻喷注单元之间明显的分区特征。     

结构参数对离心喷嘴出口液膜厚度的影响

应用基于VOF的界面跟踪方法和realizable k-ε湍流模型分析了喷嘴出口结构参数对出口液膜厚度的影响规律,并将数值结果和试验数据进行对比,证实了模型的可靠性.结果表明:在喷嘴出口处液膜以环状形式分布,中间有一空心气锥,空心气锥半径越大,液膜越薄,并且随着流量的增大,液膜的破碎长度减小;喷嘴出口扩散角越大,喷嘴出口处液膜越薄,液膜破碎长度越短;喷嘴出口直径越大,液膜破碎长度越长,但液膜厚度不稳定;喷嘴出口直管段越长,液膜破碎长度越短,但对液膜在喷嘴出口后期发展的影响不是很大.     

熔渣黏度的模型估算研究

单纯的实验测定已无法满足对熔渣黏度数据的实际需求,利用D.Sichen和S.Seetharaman等人的黏度模型和熔渣的正规溶液(RS)模型理论,建立了熔渣组元吉布斯黏流活化能、吉布斯混合自由能以及组成与熔渣黏度的函数关系,即熔渣黏度估算模型.并估算、测量了CaF2-CaO,Al2O3-CaO两个体系渣样的黏度.结果表明:对于CaF2-CaO渣系,黏度测量值与修正模型估算值吻合很好;对于Al2O3-CaO渣系,模型估算值与黏度测量值基本吻合,但在共晶点组成渣样的模型估算值与实际测量值吻合得更好.     

典型煤种结渣的数值模拟研究

建立了与气固两相流动燃烧模型相耦合的飞灰沉积模型.对一台四角切圆锅炉燃用2种典型煤种（神木煤和淄博煤）时的结渣特性进行了数值模拟,对比了不同的颗粒黏度计算模型,预测了炉膛内不同位置的飞灰沉积量和厚度.模拟结果显示,前墙20～25 m高度附近结渣最严重,燃用神木煤时结渣比淄博煤更多.通过分析认为,采取合理工况,掺烧结渣倾向低的煤种可以有效减轻结渣.     

高炉熔渣颗粒热物性参数的瞬间测量

为了开发冶炼熔渣干法粒化和余热回收技术,提出了一种飞行高炉熔渣颗粒表面温度与发射率的瞬间测量方法。实验过程中,建立了熔渣表面温度与灰度、表面发射率与表面温度的关系曲线,通过高速摄像机瞬间捕捉飞行熔渣颗粒图像,计算图像灰度,结合关系曲线得到飞行熔渣颗粒表面温度和表面发射率。结果表明:随着熔渣表面温度的降低,表面发射率减小;当飞行熔渣颗粒表面温度为1 402℃时,其表面发射率约为0.89。     

准东煤旋风燃烧的数值模拟

为掌握准东煤在液态排渣旋风炉中的燃烧特性,对准东煤旋风燃烧过程进行了数值模拟。通过建立传热传质模型求解熔渣层的热物性参数,并作为边界条件代入燃烧CFD模拟中构建联合迭代算法。结果表明,迭代收敛后火焰温度与热电偶测量值基本吻合,误差小于4%。大于10μm的飞灰颗粒与熔渣层碰撞并被黏附,颗粒沉积可简化为一次碰撞。熔渣层厚度沿筒长方向呈非均匀分布,最大厚度约为2 mm,可近似为牛顿流体的流动边界层。排渣口处熔渣温度大于黏度25 Pa·s对应的温度,能够实现稳定液态排渣。立式旋风炉捕渣率大于0.6,捕渣率分布主要受配风方式的影响。     

高温熔渣离心粒化机理与实验研究

通过研究高温熔融炉渣的离心粒化,获得大量细小且粒化效果稳定的颗粒,有利于回收其中的高品位显热。在对离心粒化机理详细分析的基础上,提出一种新的判定离心粒化分裂形式的方法;并指出最小液膜厚度是影响离心粒化的主要因素。离心粒化实验的研究目的是如何获得尽可能多的直径在4 mm以下的炉渣粒化颗粒。实验结果表明,转速、转盘直径和转盘深度等关键参数在一定范围内对炉渣粒化结果的影响显著,实验获得粒径小于4 mm的颗粒质量占比可以高达84.3%,粒化效果要远好于水淬处理高温炉渣。     

膜状冷凝初期过程的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法,对氩蒸气在铂金属表面发生的膜状冷凝过程进行了研究.为保证冷凝过程在相对较长时间范围内持续稳定进行,提出了一种改进的气态分子补充方法.通过逐时对系统内局部温度及密度进行统计,获得了不同时刻的参数分布.结果显示:在模拟时间范围内,液膜厚度近似线性增加,壁面附近液相分子受固壁势能作用而呈现出密度振荡的"液体层状化"分布;液膜内产生温度梯度,固液界面处温度跳跃现象明显.考察了气体温度以及壁面润湿性变化产生的影响,结果表明:随着气体温度的升高,温度梯度以及温度跳跃均增大;液相密度略有下降,液体内层状区域的密度振荡范围略有减小,气液界面厚度增加;质量流率以及液膜厚度增长速率也都增大,反映出更大的气固温差加快了冷凝过程的进行,这一点与宏观规律一致.随着润湿性增强,液膜厚度增长加快,液体层状区内的密度振荡范围增加,液膜内温度梯度增大,温度跳跃大幅减小,冷凝过程得到显著强化.显然,近壁面区内的热传导对整个冷凝过程进行的速度具有重要影响.     

RH浸渍管浇注料侵蚀机理的研究

根据相平衡原理和热力学理论,对RH浸渍管浇注料各组元间、熔渣各组元间以及浇注料与熔渣间的化学反应进行了热力学分析.结果表明,SiO2微粉和α-Al2O3微粉对RH浸渍管浇注料使用性能的影响均具有两面性,应适当控制其添加量,并减少水泥结合剂的添加量;RH熔渣组分间发生化学反应,使得熔渣黏度发生变化,当熔渣黏度增大时,浸渍管出现黏渣现象,当大量低熔点物相产生时,熔渣黏度降低,浸渍管易受到熔渣的渗透和侵蚀;RH熔渣与浸渍管浇注料基体相互作用,产生低熔点物相,使浸渍管产生溶蚀,而高熔点物相黏结在浸渍管表面形成黏渣.     

液体火箭发动机燃烧室液膜冷却数值研究

对液体火箭发动机燃烧室中的液膜冷却进行了数值模拟．采用有限容积法对燃气和液膜控制方程同时进行求解，对燃气和液膜分别采用标准k-ε模型和修正的Van Driest模型描述其湍流流动．燃气的辐射传热采用热流模型计算，同时对液膜干涸点下游的流动与传热进行了模拟．详细研究了气液界面上质量、动量和热量的传输特性，发现当壁面绝热时，燃气对流传热和液膜蒸发所吸收的汽化潜热在界面热量传递中起主导作用，但燃气的辐射传热和液膜显热不能被忽略．同时，分析了各种因素对液膜长度的影响，计算结果与实验符合良好，对工程实践有指导意义．     

撞击式射流破碎特性的实验研究

基于自行搭建的撞击式射流系统,采用高速摄影技术,研究了对称射流撞击和非对称撞击射流液膜的破碎特性.分析研究了射流撞击夹角及喷嘴内径对射流撞击破碎的破碎模式和破碎特征(破碎长度、液膜长度、液膜宽度、液膜长宽比)的影响规律.对比研究了3种不同流体——水、甘油、卡波姆凝胶(非牛顿流体)的破碎特性.在实验的韦伯数范围内,喷射模式可分为3种破碎模式,即封闭液膜模式、开边界模式、液线液滴模式;破碎长度随韦伯数的增大,呈先增大后减小的趋势;减小撞击夹角可以减小液膜的长宽比,喷嘴内径的大小不会改变液膜长宽比的值;与对称撞击相比,非对称撞击更能加剧液膜的破碎.     

纳米氢氧化铝稳定泡沫性能研究

通过原位表面活性化可使纳米颗粒变成表面活性颗粒,使其能够吸附在气-液界面上形成颗粒单层,这种颗粒单层类似于表面活性剂在气-液界面上的吸附单分子层,有起泡和稳泡的作用.研究了纳米氢氧化铝与表面活性剂SDS及OP-10复配产生的泡沫的性能.结果表明,以水为溶剂时,OP-10基本不能使纳米氢氧化铝颗粒原位表面活性化,不能在起泡和稳泡方面产生协同效应.而阴离子表面活性剂SDS能够通过静电作用吸附在纳米氢氧化铝颗粒表面,使颗粒表面覆盖一层烷基链而亲水性减弱,从而能以颗粒单层形式吸附在气-液界面上起到起泡和稳泡的作用.当SDS质量分数大于0.6%后,表面活性剂分子在颗粒表面形成双层或多层吸附,打破了活性颗粒的亲水-亲油平衡,纳米颗粒重新转变为强亲水颗粒,起泡、稳泡能力下降.质量分数0.1%纳米Al(OH)3+SDS体系的泡沫封堵性能明显优于单一SDS体系,文中实验条件下阻力因子可达100以上.