循环流化床中磷石膏还原分解实验研究及数值模拟

论文摘要

磷石膏是磷酸工业生产的磷酸盐副产物。我国工业副产品磷石膏每年约3000万吨,大量堆存,利用率低。磷石膏由于有害的重金属、硫酸盐、氟硅酸盐、氢氟化物蒸发造成了水体和空气的污染。由于磷酸生产工业和磷石膏堆放对地表水污染造成了很多的环境问题。磷石膏一般的工业处理方法有很多。总结起来一般分为三个方面,即化学法、物理法和热处理法。有时在一个处理磷石膏过程中三种方法都用到。本文针对目前磷石膏分解制硫酸联产水泥技术存在的主要问题,提出以循环流化床作为反应器,用高硫煤代替焦炭还原分解磷石膏制硫酸联产水泥新技术。本文研究主要包括以下三个方面：1.磷石膏还原分解反应条件及影响因素研究在本研究中,通过利用高硫煤作为还原剂对磷石膏进行了高温热分解实验,实验、中随着反应温度的升高,磷石膏的分解率与脱硫率升高,磷石膏的分解率达到97%的反应时间逐渐减少。而且在还原性气氛增加的情况下,反应时间会减少。还原性气氛越强,磷石膏的分解率越高,反之,则磷石膏的脱硫率越低,说明磷石膏在弱还原性气氛下分解是较为有利的。2.循环流化床工艺流程及参数计算对模拟实验所用循环流化床装置及流程进行了详细研究；对磷石膏物料颗粒的临界流化速度、终端速度参数进行计算；同时对流化床实验台分布板、物料循环量进行了分析；对快速床及其特点进行了研究；对由湍流床向快速床以及快速床向密相气力输送床的流型转变进行说明并且对转变速度进行计算。3.循环流化床提升管冷态数值模拟计算运用大型流体工程计算商业软件Fluent对实验台进行了数值模拟研究,联合使用流体仿真前处理软件gambit进行了网格划分,采用气固两相流欧拉模型和标准k-ε湍流模型,克服了以往由于几何建模困难和模型选择不当问题而导致模拟结果不理想的局限。模拟采用非稳态,分离式求解器,使与实际比较接近。对气速随床高分布、磷石膏物料颗粒体积分数分布、物料颗粒迹线模拟结果分析。当分布板小孔气体进口气速增大时靠近气体分布板附近的气速也有所增大；随着流化风速的增大提升管内物料颗粒体积分数相对减小；当气速增大时,磷石膏物料颗粒在循环流化床中停留时间也相对减少；当气速为65m/s时迹线有折回和回流,也有各线条之间的交叉和混流,这就证明了流体流动的随机性、复杂性和难以预测性。对压力差分布结果、不同流化风速下湍动能、耗散率结果进行分析。当流化风速增大时,沿床高的压力差减小；当流化风速减小时,沿床高压力差增大。随着风速的增大湍动能基本呈降低趋势,而且下段湍动能减小,上段湍动能增大。同时,随着风速的增大湍动耗散率基本呈升高趋势,而且下段湍动耗散率减小,上段湍动耗散率有所增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 主要研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 磷石膏无害化处理及综合利用是目前迫切需要解决的问题
• 2.2 磷石膏处理国内外研究动态及现状
• 2.3 磷石膏处理方法概述
• 2.3.1 用于水泥工业
• 2.3.2 用于生产化工原料
• 2.3.3 用于生产建材制品
• 2.3.4 用作改良土壤剂
• 2.3.5 用作路基或工业填料
• 2.3.6 磷石膏综合利用中存在的问题及建议
• 2.4 循环流化床技术的发展及其工业应用
• 2.4.1 循环流化床发展状况
• 2.4.2 循环流化床原理、特点及优点
• 2.5 循环流化床数值模拟进展
• 2.6 本章小结
• 第三章 高硫煤分解磷石膏反应条件及影响因素研究
• 3.1 实验用物料物性分析
• 3.1.1 磷石膏物性分析
• 3.1.2 高硫煤物性分析
• 3.2 实验装置流程
• 3.3 磷石膏分解反应程度的判断依据
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 温度对磷石膏分解率和脱硫率的影响
• 2）对分解率和脱硫率的影响'>3.4.2 反应气体中P（CO）:P（CO₂）对分解率和脱硫率的影响
• 3.4.3 反应气氛一定时不同物料比下磷石膏分解率与脱硫率
• 3.5 本章小结
• 第四章 流化床工艺流程及参数计算
• 4.1 实验装置工艺流程
• 4.2 流化床参数计算
• 4.2.1 流态化的形成
• 4.2.2 临界流化速度计算
• 4.2.3 颗粒终端速度计算
• 4.2.4 装置气体分布板
• 4.2.5 流化床的物料循环量
• 4.3 快速流态化
• 4.3.1 快速流化床特点
• 4.3.2 湍动流化态到快速流化态的流型转变
• 4.3.3 最小流化速度和最小循环量计算
• 4.3.4 湍流床向快速床转变速度、载流点速度计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 循环流化床提升管冷态数值模拟计算
• 5.1 数值模拟计算方法
• 5.1.1 控制方程离散化
• 5.1.2 三维湍流模型
• 5.1.3 多相流模型
• 5.2 循环流化床提升管气固数值模拟研究
• 5.2.1 具体问题描述
• 5.2.2 模型求解步骤
• 5.2.3 模型结果研究及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论和建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 附录B 不同气速下模拟计算残差曲线图
• 附录C 攻读硕士期间发表的论文
• 附录D 攻读硕士期间参与的科研项目