含碳水泥生料球预热预分解过程的数值研究

论文摘要

西安建筑科技大学粉体工程研究所自上世纪90年代以来一直致力于大颗粒流化床的研究,以求开发出一种新型的水泥熟料煅烧工艺。本论文研究了水泥生料球中的传热、传质机理,所采用的料球是由石灰石、粘土和焦碳粉料混合制成的黑料球,直径为5-6mm。 用数值模拟研究料球内的传热和分解过程。建立非稳态传热模型来描述碳的燃烧和料球内的传热过程,并建立了质量传递方程来描述石灰石分解和气体扩散过程,两个方程中都包括与热量和质量传递现象耦合的源项,并认为生料球是由粒径为30-60微米的石灰石、焦碳和粘土球形颗粒组成的,各种组分在料球中分布均匀。 用Fortran95语言编写计算程序求解方程,并模拟了料球在不同条件下的分解过程。采用石灰石分解率和焦碳燃烧率为过程特征指标,分析各种因素对料球分解的影响规律。结果表明:对于粒径为5mm,含碳量为5%的料球,在1273K的环境温度下石灰石完全分解需要3.4分钟,焦碳完全燃烧需要11.5分钟。温度、含碳量、环境气流速度和氧气浓度都是影响分解的重要因素,其中温度的影响最为显著。在1173K以上温度时,可忽略CO2的影响。在30-60μm粒径范围内,石灰石细度和焦碳细度对分解的影响较小。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 水泥生产工艺过程的新技术和新方法
• 1.2 流态化煅烧水泥熟料技术的研究现状
• 1.2.1 国外关于流态化煅烧水泥技术的研究现状
• 1.2.2 国内关于流态化煅烧水泥技术的研究现状
• 1.3 课题的研究背景
• 1.4 课题的研究内容、研究目的和意义
• 1.5 本课题的研究现状
• 1.6 课题的研究思路和研究方法
• 2 气-固反应系统的动力学模型研究
• 2.1 含碳水泥生料球煅烧的两个阶段
• 2.2 含碳水泥生料球预热预分解的基本过程
• 2.3 气-固反应系统的宏观动力学模型
• 2.3.1 界面反应模型
• 2.3.2 区域反应模型
• 2.3.3 微粒模型
• 2.3.4 孔隙模型
• 2.4 石灰石分解的动力学模型
• 2.4.1 石灰石分解的基本过程
• 2.4.2 石灰石分解动力学模型
• 2.4.3 不同因素对石灰石分解的影响
• 2.5 焦碳燃烧的动力学模型
• 2.5.1 焦碳燃烧的基本过程
• 2.5.2 焦碳燃烧化学反应
• 2.5.3 焦碳燃烧动力学模型
• 2.5.4 焦碳燃烧的控制过程工况
• 2.6 固相反应
• 2.6.1 扩散控制的固相反应动力学模型
• 2固相反应的速率方程'>2.6.2 CaO和SiO₂固相反应的速率方程
• 2.7 含碳水泥生料球预热预分解的建模思路
• 3 含碳水泥生料球分解模型的建立
• 3.1 数学模型的建立
• 3.1.1 模型的基本假设
• 3.1.2 基本反应
• 3.1.3 反应速率方程
• 3.1.4 传热方程
• 3.1.5 气体组分的传质方程
• 3.1.6 速率方程、传热方程和传质方程中关键参数的确定
• 3.1.7 固相物种的转化率
• 3.2 计算模型的建立
• 3.2.1 数值传热学求解问题的基本思想和基本方法
• 3.2.2 有限差分法的建立离散方程的方法
• 3.2.3 区域的离散
• 3.2.4 控制方程的离散
• 3.3 计算程序
• 3.4 模型的验证
• 4 含碳水泥生料球预热预分解过程的数值研究
• 4.1 料球预热预分解过程模拟
• 4.1.1 计算参数的选取
• 4.1.2 模拟结果及分析
• 4.1.3 过程模拟结论
• 4.2 各种因素对预热预分解过程的影响
• 4.2.1 温度的影响
• 4.2.2 料球密实度（初始空隙率）的影响
• 4.2.3 焦碳含量的影响
• 4.2.4 碳粒细度的影响
• 4.2.5 石灰石细度的影响
• 4.2.6 气流速度的影响
• 2气氛的影响'>4.2.7 环境中CO₂气氛的影响
• 2含量的影响'>4.2.8 环境中O₂含量的影响
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 单颗粒预热预分解过程的模拟研究结论
• 5.1.2 各种影响因素对预热预分解过程的影响研究结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献