热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置及方法

本发明涉及直接还原铁冷却过程、颗粒填充床气固传热测试和冶金过程实验装备，具体涉及一种热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置及方法。

背景技术：

1、气基直接还原-电弧炉流程是钢铁工业低碳化的重要技术路径。直接还原竖炉下部通常设置冷却区域，使高温直接还原铁与冷却气体进行气固换热，以降低排料温度，并为后续输送、储存和显热利用创造条件。气固换热系数是建立冷却段传热模型、预测物料温度变化和优化冷却气量的重要参数。

2、直接还原铁颗粒具有内部孔隙、表面粗糙、形貌不规则以及热物性随温度变化等特点，其随机堆积形成的床层属于非均匀多孔介质。针对规则球形颗粒建立的固定床换热关联式难以完整反映直接还原铁颗粒的内部导热热阻、颗粒尺度和床层空隙结构对换热过程的影响。

3、高温直接还原铁具有再氧化敏感性。若在加热、落料和冷却过程中与空气接触，氧化反应放出的热量会叠加于气固显热交换，使根据温度响应反演得到的换热参数产生偏差。因此，实验过程中需要利用惰性气体形成保护气氛，并缩短高温直接还原铁由加热区进入冷却区的时间。

4、现有技术已经公开了直接还原竖炉中热dri与冷却气体逆流换热的工业生产方案。例如，cn106702066a公开了一种氢气进入气基还原竖炉制备直接还原铁的系统和方法，其竖炉包括上部还原段和下部冷却段，并通过洗涤冷却、压缩、提氢和加热等装置组织还原气和冷却气流程，其技术重点在于直接还原生产过程中的气体组织、温度分布和能源利用。

5、cn119907868a公开了一种用于生产冷直接还原铁的方法，其中基本由氢气组成的冷却气体从直接还原竖炉冷却段的下部引入，与由上向下运动的热dri逆流换热；该方案设置dri出口温度、冷却段顶部气体温度和炉顶煤气温度等测量，并根据测得温度调节冷却气体流量、还原气体流量或加热温度，以在满足产品金属化程度和排料温度要求的同时降低工业生产能耗。

6、上述现有技术表明，dri在竖炉下部采用由下向上的气体进行逆流冷却，以及利用温度测量结果对工业冷却气量进行控制，均属于已有的生产工艺思路。但是，上述方案的温度测量主要服务于生产过程控制，并未针对已制得dri构建独立的惰性气氛换热测试环境，也未公开沿颗粒床层轴向布置多个固相测点并同步获取气体进、出口瞬态温度，更未公开依据多点瞬态气固温差衰减反演有效气固换热系数

he、再修正颗粒内部导热影响获得气固换热系数

h的参数辨识路线。因此，仍需要一种热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置及方法，使不同粒径、不同预设气量工况下的实验结果具有可比性，并可进一步用于无量纲关联式建立。

技术实现思路

1、一、要解决的技术问题；

2、本发明旨在提供一种热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置及方法，所要解决的技术问题并非对工业竖炉冷却气量进行温度反馈控制，而是针对已制得的多孔、不规则热dri颗粒，如何在惰性气氛和预设稳定冷却气量条件下构建可重复的逆流冷却实验环境，同步获得能够表征床层轴向非均匀性的气固瞬态温度数据，并由温度响应辨识有效气固换热系数、修正颗粒内部导热影响，从而获得可用于无量纲传热分析的基准换热参数。

3、二、技术方案；

4、本发明的热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置用于对已制得的dri颗粒进行换热参数测定，而非在装置内完成铁矿石还原。在氮气保护条件下对热直接还原铁竖直填充床进行逆流冷却，连续采集气相和固相瞬态温度，并据此测定有效气固换热系数及气固对流换热系数的实验装置和方法，并进一步涉及根据所测换热系数建立热直接还原铁竖直填充床无量纲换热关联式。

5、一种热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置，包括氮气源、流量控制组件、上部竖直加热炉体、闸阀、下部竖直冷却炉体、布气单元、温度测量单元以及数据采集与计算单元；

6、上部竖直加热炉体和下部竖直冷却炉体间设置闸阀；闸阀上开设有多个通气孔；闸阀关闭时承托直接还原铁颗粒，氮气经通气孔进入上部竖直加热炉体，闸阀开启时使预热后的直接还原铁颗粒在重力作用下直接落入下部竖直冷却炉体，并在孔板上方形成dri颗粒床层；

7、上部竖直加热炉体用于在氮气保护气氛下对已制得的直接还原铁颗粒进行预热；

8、下部竖直冷却炉体的上部设有冷却气体出口，内部设有孔板；在dri颗粒床层形成后，冷却气体出口位于dri颗粒床层的上方；

9、氮气源经流量控制组件和气体输送管路与下部竖直冷却炉体底部的冷却气入口连通；

10、布气单元位于冷却气入口与dri颗粒床层之间，用于使氮气经扩散和均压后沿炉体横截面分布并由下向上通过dri颗粒床层；

11、温度测量单元包括沿dri颗粒床层轴向布置的至少三个固相温度测点、设置在冷却气入口处的入口气相温度测点以及设置在冷却气体出口处的出口气相温度测点；

12、数据采集与计算单元与温度测量单元连接。

13、装料口设置在所述上部竖直加热炉体的顶部并与其内腔连通；上部竖直加热炉体的出料部与闸阀的上端连通，闸阀的下端与下部竖直冷却炉体的进料部连通；电磁加热单元环绕设置在上部竖直加热炉体的外周，用于将所述上部竖直加热炉体内的直接还原铁颗粒加热至目标温度。

14、所述闸阀为设置在竖直落料通道中的插板式闸阀，多个通气孔贯穿插板；加热阶段闸阀处于关闭位置以承托直接还原铁颗粒，同时使由下部竖直冷却炉体底部进入的氮气经通气孔进入上部竖直加热炉体；落料阶段闸阀开启，使加热后的直接还原铁颗粒落入下部竖直冷却炉体。

15、所述下部竖直冷却炉体为圆筒形炉体，炉体外部设有保温层，炉体下部设置孔板，所述孔板用于承载落入所述下部竖直冷却炉体的直接还原铁颗粒并形成所述dri颗粒床层；所述下部竖直冷却炉体的底部还设有卸料口，用于在冷却结束后排出直接还原铁颗粒。

16、所述布气单元为位于所述孔板下方并与所述下部竖直冷却炉体同轴设置的布风腔，所述冷却气入口与所述布风腔的下部连通，所述孔板覆盖所述布风腔的上端，且所述孔板上分布有多个布气孔；氮气由所述冷却气入口进入所述布风腔后先在布风腔内扩散和均压，再经所述多个布气孔进入所述dri颗粒床层，以减小炉体横截面上的气流分布不均。

17、加热阶段和冷却阶段使用同一氮气源供气；加热阶段，氮气经流量控制组件由所述下部竖直冷却炉体的冷却气入口进入，依次通过布气单元、孔板、下部竖直冷却炉体的内腔以及关闭状态闸阀的通气孔，进入所述上部竖直加热炉体形成保护气氛；流量控制组件按照预设实验工况设定并稳定氮气流量，在同一换热测定工况内不依据温度测量单元的测量值实时改变预设流量；随后进入落料阶段，开启闸阀，使预热后的直接还原铁颗粒落入所述下部竖直冷却炉体并形成dri颗粒床层；落料完成后重新关闭闸阀，随后进入冷却阶段；冷却阶段，氮气仍由所述冷却气入口进入，并由下向上通过所述dri颗粒床层。

18、所述的热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置，还包括风机、换热器、气体输送管路、截止阀和泄压阀；所述下部竖直冷却炉体的冷却气体出口经所述截止阀与所述气体输送管路连通，所述气体输送管路上依次设置所述换热器和风机，经所述风机输送的循环气体与经所述流量控制组件补入的氮气汇合后进入所述冷却气入口；所述泄压阀设置在所述上部竖直加热炉体上；加热阶段所述截止阀关闭，所述泄压阀用于在上部竖直加热炉体压力达到设定泄压条件时泄压；冷却阶段所述截止阀开启，dri颗粒床层排出的气体经所述截止阀进入换热器。

19、数据采集与计算单元连续采集多个轴向固相瞬态温度以及气体进口瞬态温度、气体出口瞬态温度，由多个固相瞬态温度测量值确定固相特征温度、由气体进口瞬态温度和气体出口瞬态温度确定气相特征温度，并结合颗粒等效直径、床层空隙率及气固两相热物性参数，根据气固特征温差随时间的衰减关系反演有效气固换热系数

he，再对颗粒内部导热影响进行修正得到用于无量纲分析的气固换热系数

h；至少三个固相温度测点分别设置在所述dri颗粒床层的下部、中部和上部；所述固相特征温度由固相温度测点的测量值确定，所述气相特征温度由入口气相温度测点和出口气相温度测点的测量值确定。

20、一种测定热直接还原铁竖直填充床气固换热系数的方法，采用热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置，包括以下步骤：

21、步骤s1，对已制得的直接还原铁颗粒进行粒径分组，并确定颗粒等效直径

dp、床层空隙率ε、固相导热系数

λs和固相比热容cs；其中

dp和ε用于确定颗粒床体积比表面积并参与后续无量纲参数计算，

λs用于颗粒内部导热影响修正，cs用于气固热容量项计算；

22、步骤s2，关闭闸阀和截止阀，将所述直接还原铁颗粒装入上部竖直加热炉体，在氮气保护气氛下利用电磁加热单元将所述直接还原铁颗粒预热至目标温度，以建立换热测定所需的固相初始热状态；

23、步骤s3，开启闸阀，使预热后的直接还原铁颗粒在重力作用下直接落入下部竖直冷却炉体，并在孔板上方形成dri颗粒床层，落料完成后关闭闸阀；

24、步骤s4，在步骤s3落料完成且闸阀重新关闭后进入冷却阶段，开启截止阀，并使泄压阀在正常冷却工况下保持关闭；按照预设实验工况的流量设定值由所述下部竖直冷却炉体的底部通入冷却氮气，使冷却氮气经布气单元和孔板分布后由下向上通过所述dri颗粒床层，通过所述dri颗粒床层后的冷却氮气由冷却气体出口排出并经截止阀进入气体输送管路；当上部竖直加热炉体压力升高至设定泄压条件时，泄压阀开启进行安全泄压；在所述预设实验工况的参数辨识时间区间内保持冷却氮气流量稳定，不依据所测固相温度或气相温度实时改变流量设定值；

25、步骤s5，连续同步采集所述dri颗粒床层下部、中部和上部的固相瞬态温度、入口气相瞬态温度、冷却气体出口处的出口气相瞬态温度以及实际氮气流量；

26、步骤s6，根据至少三个固相温度测点的测量值确定固相特征温度

ts，根据入口气相温度和出口气相温度确定气相特征温度

tg，根据颗粒等效直径

dp和床层空隙率

ε确定颗粒床体积比表面积

av；在冷却气流量稳定后的选定时间区间

τ1-

τ2内，采用固相比热容

cs，根据所述固相特征温度与气相特征温度形成的气固特征温差随时间的衰减关系，以及气固两相体积热容量项，确定有效气固换热系数

he；

27、步骤s7，根据颗粒等效直径

dp、固相导热系数

λs以及所述有效气固换热系数

he确定与颗粒内部导热影响相关的毕渥数和气固两相热容量比，并利用所述毕渥数和气固两相热容量比对修正步骤s6获得的有效气固换热系数

he，得到用于努塞尔数计算和无量纲关联式建立的气固换热系数

h；

28、步骤s8，根据所述气固换热系数

h计算努塞尔数

nu、颗粒雷诺数

rep和普朗特数

pr，并基于不同颗粒粒径和不同预设冷却氮气流量工况所得的数据建立热直接还原铁竖直填充床无量纲换热关联式。

29、所述颗粒床体积比表面积

av按照颗粒等效直径

dp和床层空隙率

ε确定；在选定的稳定冷却时间区间内，根据两个时间点的气固特征温差之比、颗粒床体积比表面积以及气固两相热容量项确定有效气固换热系数

he；根据颗粒等效直径

dp和固相导热系数

λs确定毕渥数

bi，根据气固两相体积热容量确定热容量比

β，并利用

bi和

β对

he进行颗粒内部导热影响修正以得到气固换热系数

h；同时根据所选稳定冷却时间区间内床层固相显热变化与冷却氮气吸热量进行整体能量平衡校核；根据

h计算

nu，根据冷却氮气表观速度计算

rep和

pr；对于有限床径条件下的壁效应，采用

m=1+2

dp/[3

d(1-

ε)]计算壁效应修正参数

m，并以

rep,m=

m·

rep得到修正颗粒雷诺数

rep,m；采用

nu=c

rep,mm

prn

εr的无量纲形式对不同工况的实验数据进行回归，其中c、m、n和r为由实验数据确定的回归系数。

30、三、本发明的有益效果；

31、1.本热直接还原铁竖直填充床气固换热系数测定装置以已制得的dri为测试对象，上部竖直加热炉体仅用于在氮气保护下建立dri初始热状态，并通过闸阀与下部冷却炉体直接衔接，从而将换热参数测定与铁矿石还原反应过程分离，降低反应过程及高温空气接触对基准换热实验的干扰。

32、2.闸板上的通气孔在闸阀关闭时允许保护氮气通过，有利于维持加热与落料过程中的惰性气氛，同时不妨碍闸板承托颗粒。

33、3.冷却氮气由炉底经布气单元和孔板均匀进入颗粒床层，形成自下而上的逆流冷却过程。

34、4.沿床层轴向设置多个固相温度测点，并同步测量气体入口和出口温度，使温度数据不仅用于判断冷却效果，而是形成能够反映床层轴向非均匀性并用于瞬态换热参数反演的气固温度序列。

35、5.在单一实验工况内维持冷却氮气流量为预设稳定值，避免温度反馈引起流量持续变化而改变参数辨识边界条件；在此基础上先由气固特征温差衰减反演有效气固换热系数

he，再修正dri颗粒内部导热影响得到气固换热系数

h，使所得参数能够用于不同粒径和不同气量工况之间的对比及后续无量纲分析。

36、6.根据不同颗粒粒径和不同冷却氮气流量工况获得的

nu、

rep和

pr，引入壁效应因子修正颗粒雷诺数，形成适用于热dri有限床径竖直填充床的无量纲换热关联式，为竖炉冷却段传热模型提供参数化表达。

37、7.上部竖直加热炉体设置泄压阀，在加热阶段截止阀关闭的情况下能够释放上部炉体内的过高压力，提高实验装置运行安全性和压力控制稳定性。