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由于目前我国环境污染和能源紧缺等问题日益严峻，实现钢铁企业的节能减排和绿色发展己迫在眉睫。高炉炼铁是钢铁生产过程能耗最大的工序，高炉渣则是这一工序产量最大的副产品，其中蕴含了大量的高品质热量，冷却后的渣也可以作为优质原材料生产水泥，减少二氧化碳的排放。新兴的高炉渣干式粒化技术与传统的水淬法相比，在获得优质渣材料的同时还可以回收余热资源，这对于实现钢铁工业的可持续发展具有重要意义。高炉渣风淬粒化及余热回收技术相比其他干式方法具有处理量大、渣的冷却效果好等优点，目前已有相关企业建立风淬粒化示范工程的报道，但该方法的理论研究还不完善。此外，有与空气的导热率较低，高炉渣干式粒化及余热回收方法普遍存在熔渣冷却和余热回收效率较低的问题。因此本文以高炉渣风淬粒化及余热回收技术为背景，数值计算和模拟作为主要研究方法，研究粒化后的高炉渣颗粒的运动及换热特性，并提出通过添加喷雾来强化高炉渣冷却的方法，以期为今后的粒化和余热回收系统设计提供理论指导与参考。主要研究内容和成果如下:
(1)建立了粒化后的高炉渣颗粒在粒化室内运动和换热的二维模型，通过四阶Runge-Kutta法求解模型的控制方程，利用Fortran语言编制计算程序;随后，添加喷雾相变模型，计算了对高炉渣颗粒冷却的强化作用;最后计算了颗粒直径、气淬空气速度和温度、空气喷吹角度等因素对高炉渣颗粒运动和换热的影响。主要结论包括:①粒化后高炉渣颗粒的运动轨迹在垂直方向先升高随后下降，运动速度呈先增大后减小的趋势;与空气的对流换热是颗粒冷却的主要形式，对流换热强度受颗粒与空气相对速度的影响;颗粒凝固过程持续时间较短;整个过程的冷却速率可以满足高炉渣后续资源化利用的要求。②添加少量喷雾(占冷却空气流量约10％)对颗粒冷却有明显的强化作用，喷雾的流量越大，对颗粒的冷却强化效果越好。③高炉渣颗粒直径越小，颗粒的运动状态越容易受到气淬空气的影响，运动过程中速度变化越大，相同运动距离内颗粒在垂直方向所需的空间越大;颗粒直径越小，颗粒的冷却速率越高，凝固过程进行的越快，最终达到的温度越低。④气淬空气的喷吹角度主要影响高炉渣颗粒的运动，颗粒的下落距离先随着角度的增大而减小，当角度增大至20-30°之间的某一个值时，颗粒下落距离开始随角度的增大而升高;角度越大，颗粒整体速度越小，变化程度越大，运动时间越长。
(2)建立了颗粒在空气流场中冷却凝固的三维模型，利用Fluent软件中的凝固和熔化模型探究了高炉渣单颗粒冷却凝固过程中内部的温度分布、凝固相界面的移动规律以及颗粒外部流场的分布等;在此基础之上，研究了颗粒直径和初始温度以及冷却空气的速度和温度对颗粒冷却凝固的影响。主要结论包括:①高炉渣颗粒在冷却空气流场中由外向内逐渐冷却，固体相界面向内推移速度随时间逐渐降低。由于空气绕流球形颗粒的流场特性导致了颗粒表面换热不均匀，造成颗粒内部的凝固过程不均匀以及颗粒内部温度分布的不均匀。②高炉渣颗粒直径越小，颗粒凝固速度越快，表面平均温度降低越快，颗粒直径每增加1倍，颗粒完全凝固的时间增大约2.5-2.8倍;颗粒初始温度对冷却凝固过程影响较小;冷却空气速度越大，颗粒凝固时间越短，相同时间内降低的温度越多;空气初始温度对颗粒冷却凝固过程影响较小。
(3)在第(1)部分研究的基础上，沿用第(2)部分建立的模型，利用离散相模型研究了添加喷雾对高炉渣颗粒冷却凝固过程的强化作用，并且探究了不同喷雾流量对颗粒冷却凝固过程的影响。主要结论包括:添加占冷却空气5％流量的喷雾使高炉渣颗粒的凝固提前0.075s完成，效率提高约21％，相比没有喷雾的工况下颗粒的最终温度更低。喷雾流量越大，对颗粒冷却凝固过程的加强越明显，喷雾流量每提升5％，颗粒凝固过程减少约0.025s，表面平均温度和整体平均温度多降低30-40K。
(1)建立了粒化后的高炉渣颗粒在粒化室内运动和换热的二维模型，通过四阶Runge-Kutta法求解模型的控制方程，利用Fortran语言编制计算程序;随后，添加喷雾相变模型，计算了对高炉渣颗粒冷却的强化作用;最后计算了颗粒直径、气淬空气速度和温度、空气喷吹角度等因素对高炉渣颗粒运动和换热的影响。主要结论包括:①粒化后高炉渣颗粒的运动轨迹在垂直方向先升高随后下降，运动速度呈先增大后减小的趋势;与空气的对流换热是颗粒冷却的主要形式，对流换热强度受颗粒与空气相对速度的影响;颗粒凝固过程持续时间较短;整个过程的冷却速率可以满足高炉渣后续资源化利用的要求。②添加少量喷雾(占冷却空气流量约10％)对颗粒冷却有明显的强化作用，喷雾的流量越大，对颗粒的冷却强化效果越好。③高炉渣颗粒直径越小，颗粒的运动状态越容易受到气淬空气的影响，运动过程中速度变化越大，相同运动距离内颗粒在垂直方向所需的空间越大;颗粒直径越小，颗粒的冷却速率越高，凝固过程进行的越快，最终达到的温度越低。④气淬空气的喷吹角度主要影响高炉渣颗粒的运动，颗粒的下落距离先随着角度的增大而减小，当角度增大至20-30°之间的某一个值时，颗粒下落距离开始随角度的增大而升高;角度越大，颗粒整体速度越小，变化程度越大，运动时间越长。
(2)建立了颗粒在空气流场中冷却凝固的三维模型，利用Fluent软件中的凝固和熔化模型探究了高炉渣单颗粒冷却凝固过程中内部的温度分布、凝固相界面的移动规律以及颗粒外部流场的分布等;在此基础之上，研究了颗粒直径和初始温度以及冷却空气的速度和温度对颗粒冷却凝固的影响。主要结论包括:①高炉渣颗粒在冷却空气流场中由外向内逐渐冷却，固体相界面向内推移速度随时间逐渐降低。由于空气绕流球形颗粒的流场特性导致了颗粒表面换热不均匀，造成颗粒内部的凝固过程不均匀以及颗粒内部温度分布的不均匀。②高炉渣颗粒直径越小，颗粒凝固速度越快，表面平均温度降低越快，颗粒直径每增加1倍，颗粒完全凝固的时间增大约2.5-2.8倍;颗粒初始温度对冷却凝固过程影响较小;冷却空气速度越大，颗粒凝固时间越短，相同时间内降低的温度越多;空气初始温度对颗粒冷却凝固过程影响较小。
(3)在第(1)部分研究的基础上，沿用第(2)部分建立的模型，利用离散相模型研究了添加喷雾对高炉渣颗粒冷却凝固过程的强化作用，并且探究了不同喷雾流量对颗粒冷却凝固过程的影响。主要结论包括:添加占冷却空气5％流量的喷雾使高炉渣颗粒的凝固提前0.075s完成，效率提高约21％，相比没有喷雾的工况下颗粒的最终温度更低。喷雾流量越大，对颗粒冷却凝固过程的加强越明显，喷雾流量每提升5％，颗粒凝固过程减少约0.025s，表面平均温度和整体平均温度多降低30-40K。