烧结矿余热竖罐式回收是本研究团队针对于目前环冷机模式的余热回收存在的漏风率高、余热回收率低和出口热载体(即冷却空气)品质较低等自身难以克服的弊端,借鉴干熄焦炉的结构和工艺提出的一种烧结矿余热高效回收利用技术,其吨矿发电量有望比目前国内平均指标提高一倍。烧结矿余热回收竖罐技术已作为示范推广的节能减排技术之一被纳入我国《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》中。竖罐内冷却空气与烧结矿之间的传热与流动耦合,是决定竖罐式回收是否可行的关键科学问题之一。根据余热回收系统3类变量关系可知,竖罐的结构和操作参数决定罐体内烧结矿层流动与传热过程,进而决定着罐体出口热载体的数量和品质,以及竖罐系统的余热回收率和吨矿发电量。通过开展竖罐内气固传热过程研究,并结合气体流动阻力特性研究,弄清竖罐结构和操作参数与余热回收指标的定量关系,藉此确定竖罐适宜的结构和操作参数,为后续的工程实施和技术改造奠定理论基础,改变目前工程界单纯依赖干熄焦炉确定竖罐结构和操作参数的局面。从热工角度而言,竖罐是一种典型的竖式炉窑,罐体内烧结矿层气固传热属于竖式大颗粒移动床层气固逆流式传热范畴,且可近似为稳态传热。目前,有关烧结矿层气固传热数值计算主要采用基于局部非热力学平衡的非稳态传热模型,而涉及到竖罐烧结矿层内气固稳态传热的数值计算还鲜有文献研究;烧结矿层气固传热模型中所需的气固传热系数和阻力特性系数,以及气体流动状态的判定尚基于球体等均匀颗粒填充床的通用经验关联式,而有关烧结矿层内气固传热系数、阻力特性系数和气体流态判定的研究还鲜有文献报导;基于竖式烧结矿层气固逆流式传热过程的试验研究尚为空白。基于此,本文在本团队已有的相关研究基础上,采用实/试验和数值计算手段,对竖罐内烧结矿层气固传热基本规律、主要影响因素及其影响规律加以研究,进而确定竖罐适宜的结构和操作参数。主要研究工作及其成果如下:(1)克服边缘效应的影响,设计并搭建了烧结矿层内气体阻力特性实验台,考察了气体表观流速和烧结矿粒径对阻力特性的影响,确定了烧结矿层流动状态的判据,拟合了气体阻力的实验关联式。研究结果表明:在实际生产工况下,①单位床层高气流压力降随气体表观流速增加呈2次方关系增大,随烧结矿粒径增大呈指数关系减小;②烧结矿颗粒床层内不存在达西流流动状态,而在非达西流区,Forchheimer流向湍流转变的临界颗粒雷诺数随颗粒直径的增大呈3次方关系增大。(2)设计并搭建了烧结矿层气固传热实验平台,考察了气体表观流速和烧结矿粒径对床层内气固传热系数的影响,拟合了烧结矿床层内气固传热Nu数实验关联式;攻克连续密闭排料和烧结矿加热等技术难点,砌筑了焙烧面积分别为1.0m2和5.6m2、设计处理量为5t/h和25t/h的小试竖罐平台,研究了冷却空气流量、烧结矿下料量和烧结矿进口温度对竖罐内气固传热过程的影响。研究结果表明:①床层内气体表观流速越大,烧结矿粒径越小,烧结矿温度越高,床层内气固传热系数就越大;②冷却空气流量越小,烧结矿下料量越大,烧结矿进口温度越高,竖罐出口冷却空气温度就越高。当烧结矿进口温度一定时,冷却空气水当量与烧结矿水当量的比值越小,即气固水当量比越小,冷却空气出口温度越高。(3)采用FLUENT软件求解竖罐内烧结矿层气固传热过程中,基于多孔介质理论和气固传热学理论分析推导了适用于求解竖罐内稳态气固传热的局部非热力学平衡双能量方程,确定了实际生产工况下竖罐内烧结矿层气体流动状态和流动模型;以罐体内冷却段为计算区域,采用ICEM CFD网格划分软件对计算区域进行结构化网格划分,并进行网格无关性验证;将实验所得的烧结矿层气流阻力系数和气固传热系数等参数,以及固体能量方程中描述烧结矿颗粒下移速度的对流项以自定义函数UDF的形式解释或编译到竖罐内烧结矿层气固传热模型中;采用小试试验结果对数值计算模型进行验证。模拟结果与小试数据对比分析可知:罐体出口冷却空气温度的计算结果与试验结果的平均误差为4.92%,最大误差在6%以内。(4)根据上述计算模型,以国内某360m2烧结机配套的余热回收竖罐为研究对象,开展罐体内烧结矿层气固传热过程数值计算,藉此分析了竖罐内气固传热基本规律、主要因素及其影响规律。研究结果表明:①随着冷却段高度的增加,床层内冷却空气的实际流速不断增加,在冷却段出口处达到最大值,且单位高度的冷却空气流速的增加幅度变得越来越小;②随着冷却段高度的增加,竖罐内气体的静压力逐渐变小,同一高度处气体的静压力基本相同,并且单位高度气流压力降的增加幅度变得越来越大;③由于中心风帽的存在,竖罐中心区域的烧结矿温度和冷却空气温度均比同一高度下的要低;④随着冷却空气进口流量的减小、烧结矿进口温度的增加、冷却空气进口温度的增加,冷却空气和烧结矿出口温度均逐渐增加;冷却段内径和高度的增加将导致冷却空气出口温度的增加和烧结矿出口温度的降低;⑤随着烧结矿进口温度的增加,以及冷却段内径和高度的增加,回收的空气热量和热量(?)均逐渐增加。随着冷却空气进口流量的增加,回收的空气热量逐渐增加,而回收的空气热量烟呈现出先增加后减小的情况,当冷却空气进口流量为180kg/s时,回收的空气热量(?)达到最大值42.4MW。随着冷却空气进口温度的增加,回收的空气热量逐渐减小,而回收的空气热量(?)也呈现出先增加后减小的情况,当冷却空气进口温度为353K时,回收的空气热量(?)达到最大值43.33MW。因此,通过调节冷却空气进口流量和进口温度可获得罐体出口空气的较为理想的热量(?)。(5)采用正交试验设计方法对上述360m2烧结机所对应的竖罐结构和操作参数进行了优化分析,确定了以竖罐出口冷却空气的焓(?)为正交试验指标,研究了竖罐结构和操作参数对出口冷却空气焓(?)的影响规律,藉此得出了竖罐适宜的结构和操作参数。研究结果表明:①冷却空气出口焓(?)随烧结矿进口温度和冷却段内径的增加而逐渐增加,而随冷却空气进口流量和温度的增加呈现出先增加后减小的趋势。当冷却空气进口流量超过某一限定值时,随着冷却段高度的增加,竖罐内冷却空气出口焓(?)会呈现出先增加后减小的趋势。②单罐条件下,竖罐冷却段内径和高度分别为9.0m和8.0m,冷却空气进口流量为180kg/s,冷却空气进口温度353K,此时竖罐出口冷却空气焓(?)为41.27MW;③双罐条件下,竖罐冷却段内径和高度分别为6.4m和8.0m,冷却空气进口流量为85kg/s,冷却空气进口温度343K,此时两个竖罐的出口冷却空气焓(?)为42.6MW。