基于虚拟样机技术的分解炉数字化模拟关键技术研究

论文摘要

针对我国建材工业虽然规模大,但存在生产过程能耗高,资源消耗大,环境污染严重等问题。本博士学位文以2500t/d强化悬浮式分解炉（ReinforeedSuspension Precalciner,RSP）为研究对象,通过基于虚拟样机的技术对该分解炉炉内热工过程进行了数字化模拟。预分解新型干法水泥生产技术是目前水泥生产的最先进的技术,分解炉是新型干法水泥生产线上预分解技术的核心设备和关键技术装备之一,其性能优劣直接影响到系统能耗、环保排放以及整个系统的生产效率。虚拟样机（Virtual Prototyping,VP）技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法,通过搭建分解炉虚拟样机,可以对分解炉内部的热工过程进行全方位的模拟,为后继的分解炉优化设计提供一个便捷、直观的计算机辅助设计平台。分解炉系统内部的流场非常复杂,燃料燃烧和生料分解这两个反应是悬浮于气流中进行的,各过程相互制约。以计算流体力学（Computational FluidDynamies,CFD）为理论基础的数值模拟技术能对流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等问题进行准确的预测,并在许多工程领域得到验证和推广。计算机流体力学的迅速发展及在工业领域的应用,为描述分解炉燃烧过程以及窑炉结构优化设计和应用提供了良好的手段。本文以2500t/d RSP型分解炉为例,通过冷模试验,测试出分解炉内部流场的基本数据和特征,采用k-ε双方程湍流模型对气相流场进行模拟。对炉内生料及煤粉颗粒的运动采用随机颗粒轨道模型进行模拟。对煤粉的燃烧模拟采用非预混燃烧模型,挥发模型采用Kobayashi模型,燃烧的辐射传热采用P-l模型,碳粒燃烧采用反应动力/有限扩散速率模型,煤粉燃烧化学反应模型采用混合分数/PDF（概率密度函数）模型。本文对分解炉内部速度场、温度场、组分浓度场进行了模拟,并在此基础上采用收缩圆柱体以及收缩球状模型对生料CaCO3分解率进行了计算。模拟结果得到了炉内气体流动状态、颗粒运动规律、煤粉燃烧状态等多项参数,全面精细直观地反应了炉内的流动状态。模拟结果符合炉内的流动趋势,为分析强化悬浮式分解炉内的流动规律和化学反应提供了有效信息,亦为分解炉的结构优化和实际操作参数的选取提供了重要的理论依据。石油焦作为石化行业所生产的副产品,其含碳量高、含灰量少,具有较高的热值,用其作为一种替代燃料,可以缓解能源短缺的矛盾,在高耗能的水泥生产中采用石油焦为燃料具有很大的市场前景。本文在对石油焦燃烧物化特性进行了定量分析实验的基础上,通过数值模拟的方法,对石油焦在分解炉内燃烧过程进行了数字化模拟,结果表明,RSP型分解炉结构既有利于物料的继续加热分解又有利于延长物料及燃料在炉内的停留时间。因此,这种炉型适用于石油焦的完全燃烧。随着人们对环境保护的日益重视,国际上对水泥行业氮氧化物（NOx）的排放的规定越来越严格,本文对分解炉内氮氧化物生成的机理进行的深入的探讨,在对热力型NOx和燃料型NOx生成的模拟中考虑湍流的影响,时均湍流反应速率的求解采用随机密度函数（PDF）方法。模拟结果预测了分解炉内NOx分布的浓度情况,并根据模拟结果提出了针对RSP型分解炉降低NOx排放的措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 新型干法水泥生产简介
• 1.2.2 虚拟样机技术发展
• 1.2.3 计算机数值模拟在水泥生产装备中的应用
• 1.3 本研究的目的和意义
• 1.4 本研究的主要内容
• 1.4.1 理论与方法的研究
• 1.4.2 试验研究
• 1.5 本研究的技术路线
• 1.6 本论文的框架
• 第2章 分解炉虚拟样机体系结构
• 2.1 分解炉综述
• 2.1.1 分解炉的分类
• 2.1.2 分解炉工作原理
• 2.2 复杂产品虚拟样机工程总体技术
• 2.2.1 虚拟样机的内涵与特点
• 2.2.2 复杂虚拟样机系统的体系结构
• 2.3 分解炉虚拟样机内部物理化学反应过程分析
• 2.3.1 建材装备虚拟样机设计支撑平台体系
• 2.3.2 分解炉虚拟样机工作过程
• 2.4 本章小结
• 第3章 分解炉冷态模型试验
• 3.1 分解炉冷态模型试验原理
• 3.1.1 几何相似
• 3.1.2 时间相似
• 3.1.3 运动相似
• 3.1.4 动力相似
• 3.2 分解炉冷态模型试验方法
• 3.2.1 试验的假设条件
• 3.2.2 冷模试验模型
• 3.2.3 试验方法
• 3.3 冷模试验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 RSP型分解炉三维结构参数化建模
• 4.1 参数化建模
• 4.1.1 参数化设计
• 4.1.2 参数化设计方法
• 4.2 RSP型分解炉结构特点与工艺流程
• 4.3 RSP型分解炉参数化结构建模
• 4.4 本章小结
• 第5章 分解炉内三维流场数值模拟
• 5.1 CFD概述
• 5.2 RSP型分解炉网格模型的建立
• 5.3 多相流基础理论
• 5.3.1 两相流基本特性极其描述
• 5.3.2 单颗粒动力学模型
• 5.3.3 连续相方程
• 5.3.4 颗粒群方程
• 5.4 分解炉内气固两相流场数值模拟模型
• 5.4.1 气相模型
• 5.4.2 颗粒动力学模型
• 5.4.3 颗粒尺寸分布
• 5.5 计算结果及其分析
• 5.5.1 计算边界条件
• 5.5.2 计算结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 分解炉内燃烧及分解过程数值模拟
• 6.1 燃烧过程数值模拟
• 6.1.1 数学模型
• 6.1.2 煤粉燃烧模型求解方法
• 6.2 生料分解反应动力学模型
• 6.3 计算结果及其分析
• 6.3.1 计算边界条件
• 6.3.2 计算结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 石油焦燃烧特性及其在分解炉内燃烧过程数值模拟
• 7.1 石油焦概述
• 7.2 石油焦燃烧特性
• 7.2.1 燃料的工业分析及S元素分析
• 7.2.2 燃料灰化学成分分析
• 7.2.3 热分析实验结果
• 7.2.4 悬浮动态燃烧实验结果
• 7.3 石油焦燃烧过程模拟研究
• 7.3.1 速度场分布
• 7.3.2 温度场分布
• 7.3.3 燃烧产物分布
• 7.3.4 燃尽速率和挥发速率
• 7.4 本章小结
• 第8章 分解炉内NOx生成机理模拟
• 8.1 氮氧化物概述
• 8.2 水泥生产中氮氧化物的形成
• 8.3 氮氧化物生成机理
• 8.3.1 热力NOx的生成
• 8.3.2 快速NOx生成
• 8.3.3 燃料型NOx的形成
• 8.4 湍流中NOx的形成
• 8.5 模拟结果
• 8.6 降低分解炉内NOx浓度的方法
• 8.6.1 NOx生成的影响因素
• 8.6.2 降低分解炉内NOx浓度措施
• 8.7 本章小结
• 第9章 结论与展望
• 9.1 研究成果
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间参加的科研项目和发表的学术论文