利用实验和数值模拟研究垂直冷却炉体结构对物料运动行为的影响

《Fuel》：Study on the effect of vertical cooling furnace body structure on material motion behavior using experimental and numerical simulation

物料流动与空隙率分布受垂直冷却炉结构影响的实验及数值模拟研究。通过对比四类炉体结构发现，炉壁曲率可减少停滞区并均匀物料流，双风帽设计提升底部物料空隙率20%以上。采用DEM-CFD耦合方法揭示炉体形状主导流动模式，空气帽结构调控空隙率分布，为热能回收优化提供理论支撑。

　　本研究聚焦于垂直冷却炉的结构对材料运动行为的影响，特别是炉体形状与空气导管结构对材料流动模式、分布特性以及孔隙率分布的影响。通过结合实验和数值模拟的方法，研究人员对四种不同结构的垂直冷却炉进行了系统分析，以期为炉体结构的优化设计提供理论依据。

垂直冷却炉作为烧结生产过程中的关键设备，主要承担烧结矿的冷却任务以及余热回收功能。与传统的环形冷却炉不同，垂直冷却炉采用气固逆流换热的方式，能够有效避免冷却系统中的空气泄漏问题，提高冷却空气的质量。这种设计的优势在于其显著提升了余热回收效率，从而对整个生产流程的能效优化具有重要意义。然而，在实际生产过程中，仍然存在一些亟待解决的问题，如由于材料流动不良和颗粒分布不均导致的烧结矿排出温度过高和余热温度偏低等问题。这些问题直接影响冷却空气的分布，进而影响整个生产过程的效率。因此，深入研究烧结矿在垂直冷却炉中的运动行为，对于优化余热回收过程和提升能源利用效率具有重要的理论和实践价值。

目前，关于炉内材料运动行为的研究已经取得了一定进展，主要依赖于实验和数值模拟两种方法。实验方法是最直接的研究手段，能够直观地观察材料在炉内的流动模式和分布情况。然而，实验过程通常较为复杂，成本高昂，且耗时较长。随着数值模拟技术的迅速发展，研究人员可以以更低的成本和更短的时间高效获得可靠的研究结果。例如，离散元法（Discrete Element Method, DEM）作为一种强大的工具，能够更深入地理解材料的行为特性，从而有效弥补实验研究的局限性。

在实验研究方面，已有学者通过搭建比例为1:10的实验装置，对烧结矿在方形垂直冷却炉中的分布和孔隙率进行了研究。实验结果显示，15–20毫米的烧结矿主要分布在炉的角落，0–1.5毫米的烧结矿则主要集中在喂料管下方，而5–8毫米的烧结矿则呈现较为均匀的分布。此外，炉的角落处孔隙率最大，喂料管下方孔隙率最小。这些研究为理解烧结矿在炉内的分布特性提供了重要依据。

在数值模拟方面，研究人员通过建立三维模型，模拟材料的运动轨迹，分析其分布和分离行为。例如，张等人通过建立无钟炉顶高炉的三维离散元模型，模拟了材料颗粒的运动轨迹，并研究了不同溜槽倾斜角度对材料分布的影响。此外，徐等人通过建立4070立方米的无钟高炉装料系统模型，对材料分布和颗粒分离现象进行了模拟。周等人则通过建立COREX竖炉模型，模拟了气流分布、材料分布以及孔隙率，发现材料分布和孔隙率与装料形状密切相关，特别是“V”形装料具有最大的孔隙率。

尽管已有大量研究关注材料在炉内的运动行为，但针对垂直冷却炉结构的研究仍然相对较少。例如，李等人提出了一种文丘里型垂直冷却炉结构，并建立了炉体的薄截面模型，通过耦合离散元法和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法研究了材料分布和气流状态。研究结果表明，文丘里型结构改变了气流方向，增加了气固接触，提高了气流速度，并使孔隙率分布从U型转变为W型，从而显著改善了气流的均匀性。此外，还通过耦合CFD-DEM模型对文丘里炉的结构参数进行了优化，明确了文丘里炉结构参数的选取范围。然而，这些研究中的薄截面模型未能全面反映炉内材料的水平分布特性。

基于上述研究现状，本研究提出了一种结合实验和数值模拟的综合方法，以系统分析炉体结构对材料流动模式、流动速度分布、水平材料分布、水平材料分离以及孔隙率分布的影响。研究对象包括四种不同结构的垂直冷却炉，通过实验和模拟相结合的方式，全面探讨了炉体结构对材料运动行为的影响机制。研究结果不仅补充了垂直冷却炉中材料水平分布特性的关键信息，还为炉体结构的优化设计提供了理论支持。

实验装置的设计遵循1:10的比例，以确保研究结果的可比性和实用性。该实验装置包括多个组成部分，如布料部分（储料装置、气动球阀和喂料管道）、炉体、卸料部分（球阀和接收装置）、通风部分（空气导管和横向风梁）以及支撑装置。实验装置的结构设计使得研究人员能够准确观察和记录材料在炉内的流动行为。此外，为了便于实验观察，炉体采用透明材料制成，以实现对材料流动的直观监测。

在数值模拟方面，研究采用了离散元法（DEM）来模拟材料的运动行为。离散元法的核心在于考虑每个颗粒的运动状态，包括其在任意时刻的平动和转动。根据牛顿第二定律，颗粒的平动和转动运动由相应的力学方程描述。这些方程能够准确反映颗粒在受到力作用后的运动状态，从而为模拟材料在炉内的流动提供理论基础。此外，颗粒之间的碰撞形式各异，因此在模拟过程中需要考虑不同的碰撞模型，以确保模拟结果的准确性。

为了验证离散元模型的准确性，研究通过将模拟结果与实验测量结果进行对比，对模型进行校准和验证。实验测量包括对示踪颗粒流动模式以及炉内孔隙率的测量。通过系统地比较实验数据和模拟数据，研究人员能够评估模型的可靠性，并对模型参数进行必要的调整，以提高模拟结果的精度。这一过程不仅确保了研究的科学性和严谨性，还为后续的优化设计提供了可靠的理论依据。

研究结果表明，炉体形状对材料流动模式和分布特性具有显著影响。与直壁炉相比，曲壁炉能够有效减少材料流动停滞区域，使材料流动更加均匀。此外，空气导管结构对材料孔隙率的影响更为明显，其中双导管设计能够显著提高炉底材料的孔隙率，从而改善炉底材料的透气性。这些发现为优化垂直冷却炉的结构设计提供了重要参考，有助于提高冷却效率和余热回收能力。

综上所述，本研究通过实验和数值模拟相结合的方法，系统分析了垂直冷却炉结构对材料运动行为的影响，特别是在材料流动模式、分布特性以及孔隙率分布方面。研究结果不仅补充了材料水平分布特性的关键信息，还为炉体结构的优化设计提供了理论支持。未来，进一步的研究可以结合更多实际工况和材料特性，以更全面地揭示炉体结构对材料运动行为的影响机制，并推动垂直冷却炉技术的持续改进和优化。