窑尾预分解系统热态流场的数值模拟算法与工程应用

论文摘要

新型干法水泥生产技术是目前国际上最先进的水泥生产技术,已达到日产万吨规模。进几年来,两档支撑短窑技术（L/D:10.5～12.5）相对于长窑技术（L/D:14～17）具有低能耗、高运转率、易操作等优势成为世界各大水泥技术集团的青睐,成快速发展势头。短窑技术的发展对预分解系统的性能指标,尤其是入窑生料的分解率,提出了更高的要求。尽管近些年来我国水泥工业取得了较大的发展,但在热耗、电耗、污染物排放等方面同国际先进水平仍存在较大的差距,如国际先进水平的单位质量熟料热耗约680kcal,我国720kcal。预分解系统是实现节能、降耗、减少污染物排放的关键系统,因此开展预分解系统热态流场的研究不仅能促进我国短窑技术的发展,增强我国水泥技术的国际竞争力,而且对实现我国水泥工业节能、降耗、清洁生产发展目标也具有重要的现实意义。本文基于预分解系统流场的国内外研究现状,同时结合赞比亚拉法基CHILANGA 2000t/d生产线的生产调试工作,首次实现了预分解系统热态流场的研究,解决了系统流场研究中必须解决若干关键问题,如旋风筒灰斗出口边界算法等,主要研究内容如下:（1）采用组分传输的方法实现了分解炉内煤粉燃烧的研究,并为此建立了基于煤的工业分析、元素分析结果研究煤挥发份化学式的方法。（2）在前人的研究成果基础上,完善和发展了分解炉内生料在悬浮态下的生料分解模型,并基于工程试验生产线的化验室条件和生料分解模型,研究得到了以“高温炉-电子天平-秒表”为主要测试仪器的生料分解动力学参数试验方法,克服了水泥生产线化验室不配备热重分析（TGA）天平的客观条件。（3）基于CFD（Computation Fluid Dynaimcs）商用软件Fluent6.3的多相流动程序结构和生料分解数值解析模型,采用多相组分传输的方法,二次开发研究得到了生料分解反应的数值求解算法及程序,实现了分解炉内煤粉燃烧-生料分解耦合流场的研究,并得到了工程试验数据的检验,取得了较好的吻合性。（4）通过深入分析旋风筒灰斗出口气固两相的实际流动过程,研究得到了旋风筒灰斗出口边界算法,并借助于Fluent多相流动的程序结构,二次开发研究得到了基于灰斗出口气固流动实际过程的旋风筒收尘效率求解算法。采用“欧拉-欧拉”方法研究了旋风筒内气固两相流动过程,首次实现了基于旋风筒灰斗出口气固流动实际过程的旋风筒收尘效率研究,并得到了试验数据的有力验证。（5）在旋风筒气固两相流动和收尘效率研究的基础上,首次研究得到了基于旋风筒内完全气固流动过程和严密热平衡理论的旋风筒换热效率研究方法,对建立预热器换热效率的研究方法奠定了重要的理论基础。（6）根据预热器系统的工艺过程,在旋风筒内气固两相流动研究的基础上,研究得到了预热器系统气固两相流场求解算法,国内外首次实现了预热器系统气固两相流场的研究,并在此基础上,研究得到了基于预热器内完全气固流动过程的预热器换热效率研究方法,该方法彻底摆脱了工程上以C1出口温度定性评估预热器换热效率的不足,也克服了预热器对环境散热的不确定性对换热效率计算的制约,不仅能定量评估同一个预热器在不同工况条件下的换热效率,而且可以定量评估不同系列、不同规格、不同型号的预热器之间的换热效率的高低。因此,该方法不仅可以指导预热器的工业生产实践,优化操作工艺参数,而且可以直接用于指导预热器的开发设计工作。（7）结合中材建设有限公司（CBMI）的拉法基永川5000t/d总包项目,采用本文的分解炉流场研究方法首先对该生产线分解炉的初始设计方案进行了数值模拟研究,并针对模拟结果中的不合理之处提供了优化改进方案;其次,基于改进方案再次进行耦合流场的数值模拟研究,取得了较为合理的流场分布,为该分解炉的设计工作提供了重要的理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 论文的来源
• 1.3 论文的研究目的、意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 预热器
• 1.4.2 分解炉
• 1.4.2.1 分解炉冷流场研究
• 1.4.2.2 分解炉内煤粉燃烧流场研究
• 1.4.2.3 分解炉内生料分解模型的研究
• 1.4.2.4 分解炉内煤粉燃烧-生料分解耦合过程研究
• 1.5 论文的研究目标和主要内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 预分解系统的几何、物理模型
• 2.1 预分解系统的几何模型
• 2.2 预分解系统的网格处理技术
• 2.3 预分解系统的物理模型
• 2.3.1 多相流求解构架体系
• 2.3.1.1 多相流求解的常用数据类型
• 2.3.1.2 多相流程序的结构
• 2.3.2 多相流模型
• 2.3.3 煤粉燃烧模型
• 2.3.3.1 煤粉燃烧模拟方法的研究
• 2.3.3.2 煤粉燃烧模型
• 2.3.4 多相组分传输模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 预热器系统热态气固两相流场研究
• 3.1 预热器工艺过程介绍
• 3.2 旋风筒气固两相流场研究
• 3.2.1 旋风筒灰斗出口边界算法
• 3.2.2 旋风筒收尘效率及灰斗出口边界算法的试验验证
• 3.2.3 旋风筒换热效率模型及算法
• 3.3 预热器系统热态气固两相流场研究
• 3.3.1 预热器系统热态气固两相流场求解算法
• 3.3.2 预热器系统热态气固两相流场模拟结果分析
• 3.3.3 预热器换热效率模型及其算法
• 3.4 本章小结
• 第4章 分解炉耦合流场研究
• 4.1 分解炉内煤粉燃烧模拟的组分传输方法
• 4.1.1 煤粉燃烧反应方程式的推导
• 4.1.2 煤粉燃烧组分传输方法的实现
• 4.2 生料分解模型的改进及其数值解析研究
• 4.2.1 生料分解模型的改进
• 4.2.2 生料分解模型的数值解析研究
• 4.3 生料分解动力学参数的试验研究
• 4.3.1 生料分解动力参数测试原理
• 4.3.2 生料分解动力学参数测试试验及数据处理
• 4.3.2.1 试验设备
• 4.3.2.2 试验步骤及数据处理
• 4.4 分解炉内煤粉燃烧-生料分解耦合流场求解算法
• 4.5 分解炉耦合流场模拟结果
• 4.5.1 分解炉耦合流场模拟结果分析
• 4.5.2 分解率计算及分解炉耦合流场求解算法的试验验证
• 4.5.2.1 分解率的测试及计算方法
• 4.5.2.2 分解炉耦合流场求解算法的试验验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 分解炉耦合流场研究的工程应用
• 5.1 多喷腾分解炉几何模型及工艺参数
• 5.2 多喷腾分解炉初始设计模拟结果
• 5.3 多喷腾分解炉改进设计模拟结果
• 5.3.1 分解炉改进方案模拟结果分析
• 5.3.2 分解炉改进方案模拟计算生料分解率
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 论文的主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录一 作者攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录二 作者攻读博士学位期间完成和参与的项目