剪切技术在水煤浆超细分散中的应用研究

论文摘要

本文介绍了新型燃料水煤浆的国际市场背景,工业应用市场前景以及国内外发展现状与趋势,指出了水煤浆对我国现阶段的经济发展与环境保护具有重大战略意义。通过市场调研,并在结合目前水煤浆典型工艺的基础上,针对目前水煤浆传统叶轮式搅拌设备存在有死角、噪音大、能耗高、占地面积大、不易灵活控制,以及难以提供微观上的混合效果等一系列问题,提出了利用剪切技术来处理上述问题的解决方法,使之有效延长水煤浆不发生硬性沉淀的时间,并降低综合成本。根据流体力学方程、定理、定律,运用数学方法推导出剪切泵内定转子内部的流场分布特性;建立了流体动力学速度、压强、剪切应力等物理量的动力学模型。采用流体力学商业软件FLUENT对定转子内部的流场分别进行了二维和三维的两相流数值模拟,结合RNGk -ε湍流模型和Mixture混合模型,探讨了定转子内部区域的速度场、压力场、壁面剪切应力场和第二相体积浓度分布等情况,得出了采用剪切技术对水煤浆物料进行剪切强化处理,能够使其达到微观上的混合效果,流场研究展示了实验手段所不能观察到的定转子内部流场流动的状况,为水煤浆大型高剪切强化泵的进一步研究设计提供了理论依据。利用剪切强化设备对煤泥水煤浆进行剪切实验研究,并分析工业生产过程中最主要的操作参数对于水煤浆流动性、稳定性等主要指标的影响关系,应用剪切技术及相关设备进行实验研究,有效地减少添加剂的用量,节约了综合成本,提高了水煤浆的稳定性。根据实验结果得出:当添加剂比例为0.3%、剪切转速为1200rpm、剪切时间达到40s左右时,水煤浆有较低的粘度,流动性、稳定性均较好,且综合制浆成本较低,为工业化大批量生产提供了有意义的参考数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水煤浆技术发展背景
• 1.2 国内外研究发展综述
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.2.3 水煤浆对我国经济发展的战略意义
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.3.1 课题研究目的
• 1.3.2 课题研究意义
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第二章 水煤浆特性指标及典型制浆工艺
• 2.1 水煤浆产品及其分类
• 2.2 水煤浆的特征
• 2.2.1 水煤浆成浆性
• 2.2.2 水煤浆燃烧性
• 2.2.3 水煤浆稳定性
• 2.2.4 水煤浆触变性
• 2.3 典型制浆工艺
• 2.3.1 制浆主要环节及功能
• 2.3.2 典型的制浆工艺
• 第三章 剪切强化设备内部三维流场建模与分析
• 3.1 速度场数学建模与分析
• 3.1.1 周向流场建模与分析
• 3.1.2 径向流场建模与分析
• 3.2 定转子间的平均速度场和压力场
• 3.3 高剪切区流体速度场和剪切应力场
• 第四章 水煤浆物料在剪切强化设备中的流场数值模拟
• 4.1 FLUENT 湍流模型选择
• 4.1.1 FLUENT 简介
• 4.1.2 湍流模型选择
• 4.2 FLUENT 求解步骤
• 4.2.1 制定分析方案
• 4.2.2 确定求解步骤
• 4.3 剪切技术提高水煤浆分散稳定性数值模拟
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 液固水煤浆体系两相流动的数学模型
• 4.3.2.1 Mixture 模型的基本数学思想
• 4.3.2.2 Euler 坐标系下湍流流动基本方程组
• 4.3.2.3 壁面函数
• 4.3.3 二维物理模型模拟及边界条件的设置
• 4.3.3.1 物理模型的建立
• 4.3.3.2 边界条件与流体区域设置
• 4.3.3.3 计算参数选取
• 4.3.3.4 数值模拟结果
• 4.3.4 三维定转子模型的模拟
• 4.3.4.1 物理模型、边界条件和计算参数
• 4.3.4.2 模拟结果与分析
• 第五章 剪切实验及结果分析
• 5.1 实验目的与方法
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验方法
• 5.1.2.1 实验原料
• 5.1.2.2 实验仪器
• 5.1.2.3 实验装置
• 5.1.3 实验操作步骤
• 5.2 实验参数指标的衡量
• 5.2.1 实验原则
• 5.2.2 流动性的测量
• 5.2.3 稳定性的测量
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 剪切前后煤泥粒度体积分数分布图
• 5.3.2 剪切前后水煤浆的流动性的变化
• 5.3.2.1 剪切时间和剪切转速对煤泥水煤浆流动性影响
• 5.3.2.2 剪切转速和添加剂量对煤泥水煤浆流动性影响
• 5.3.3 剪切处理前后水煤浆的稳定性变化
• 5.4 剪切技术在水煤浆工业化生产中的应用探讨
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录Ⅰ符号说明
• 附录Ⅱ作者在攻读硕士学位期间发表的论文