水泥分解炉结构参数优化与煤粉燃烧的数值模拟

论文摘要

分解炉是新型干法水泥生产技术中的核心设备,对其结构参数进行优化一直是水泥工作者关注的重点。分解炉同时又是一个耗能设备,大量消耗煤炭资源。长期以来,我国干法水泥工业分解炉中使用的主要燃料是烟煤,低挥发分煤因具有着火点高、不易燃烬的特点,而在使用中会导致各种问题。现今,随着我国煤炭资源的日益紧张,烟煤的日益减少,使用低挥发分无烟煤甚至低挥发分高灰分劣质煤,已成为分解炉设计中必须解决的关键问题。本研究采用数值模拟的方法,结合定性与定量分析来研究分解炉内的流场结构并对其进行优化设计,通过研究气相停留时间、固相停留时间、固/气停留时间比、煤粉的燃烬时间等表征分解炉特性的参数来优化炉内的流场结构,并为分解炉内低挥发分无烟煤甚至低挥发分高灰分劣质煤的使用提供理论指导。本研究选用了喷腾式、旋流式和旋—喷结合式三种典型结构的水泥分解炉进行数值模拟。对于每一种炉型,分别从气相流、气固二相流、煤粉燃烧的角度展开研究,采用的数学模型分别是标准k-ε双方程模型、离散相模型和混合分数方法结合简化的β-PDF模型。针对每一个方面分别进行最优化的设计,亦分别从不同的方面对三种不同的炉型进行对比分析,主要结论如下:（1）在SLC-S型喷腾式分解炉内,气流场呈简单的喷腾状,只是在分解炉下部空间贴近壁面处有回流出现。炉内阻力损失很小,但生料在炉内分散不均匀,若增加一个与原生料进口的水平投影夹角大于或等于135°的新生料进口可以改善这种状况,且尤以157.5°为最佳。对煤粉燃烧的研究结果表明:该炉型对煤质的适应性很强,适合烧劣质煤,煤粉在该分解炉内的燃烬率很高。对低挥发分高灰分劣质煤燃烧进行优化设计的研究结论为:当三次风速率为30m/s、煤粉喷射角度向下,且当两煤粉进口的水平夹角为180°时最佳。（2）在NST-I型旋流式分解炉内,气流在整个空间内呈螺旋式上升状,且在整个流场中形成了一系列围绕着分解炉中心轴旋转上升的涡。生料在整个炉膛内的分散状况极好,有效容积高。顺着三次风的旋转方向,当生料进口与三次风进口之间的水平夹角在45°～135°的范围内时较为适宜,且尤以135°为最佳。对煤粉燃烧的研究结果表明:进煤管方位对煤粉燃烬率的影响极大,其中在三次风进口附近且在三次风的初始运动方向上的煤粉流燃烬率很高,而远离三次风进口的煤粉流燃烬率则很低,因此煤粉的整体燃烬率不高。优化研究结果表明:当其中一个煤粉进口位于三次风进口附近时,建议将另外一个煤粉进口安置在避开三次风的初始运动方向的位置上。（3）在TDF型旋—喷结合式分解炉中,下半柱体部分的流场以“旋流”效应为主,上半柱体部分的流场以“喷腾”效应为主。生料主要聚集在分解炉下半柱体部分生料进口这一侧,而在气流速率很高的中心区生料浓度较稀。对气固二相流场进行优化设计得到的优化方案为:保持烟气速度不变,当三次风速率在14m/s～20 m/s的范围内时,或者保持三次风速度不变,当烟气速率在20m/s～30m/s的范围内时较为合适;当生料入射角度在24°～34°的范围时较佳;同一高度的两个生料进口所形成的平面夹角越小越有利,当它们重合在一起时最佳。对煤粉燃烧的研究结果表明:该分解炉对煤质的适应性很好,有利于低挥发分高灰分劣质煤的燃烧。对劣质煤燃烧进行优化设计所得到的优化方案为:当同侧的两进煤管之间的夹角为90°时最佳,在此角度下三次风速率越大则煤粉燃烧越充分,尤以24m/s最为理想。（4）对比研究结果表明:喷腾式分解炉和旋—喷结合式分解炉对煤质的适应性很强,皆有利于低挥发分高灰分劣质煤的燃烧,且通过调整参数能进一步地提高劣质煤在炉内的燃烬率;旋流式分解炉对煤质的适应潜力很大,但需要选择合适的进煤管方位。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水泥分解炉内气固流动的特点
• 1.2.1 分解炉的结构特点
• 1.2.2 分解炉内气、固流运动方式及功能
• 1.3 分解炉内煤粉燃烧的研究进展
• 1.3.1 分解炉内煤粉的燃烧特点
• 1.3.2 分解炉内煤粉燃烧的实验研究
• 1.4 分解炉的数值模拟
• 1.5 分解炉内劣质煤的应用状况
• 1.5.1 劣质煤的燃烧特点
• 1.5.2 使用劣质煤存在的问题
• 1.5.3 劣质煤的应用举措
• 1.5.3.1 理论研究
• 1.5.3.2 工程实践
• 1.6 研究课题的提出
• 1.7 课题的主要研究内容
• 第2章 模型与数值方法
• 2.1 模型
• 2.1.1 气相湍流模型
• 2.1.1.1 基本假设
• 2.1.1.2 数学模型
• 2.1.1.3 边界条件
• 2.1.2 气固二相流模型
• 2.1.2.1 基本假设
• 2.1.2.2 数学模型
• 2.1.2.3 边界条件
• 2.1.3 煤粉燃烧模型
• 2.1.3.1 基本假设
• 2.1.3.2 数学模型
• 2.1.3.3 边界条件
• 2.2 数值方法
• 2.3 本章小结
• 第3章 喷腾式分解炉的数值模拟
• 3.1 模型建立
• 3.2 气相流场
• 3.3 气固二相流场
• 3.3.1 原始模型
• 3.3.2 改变三次风速率
• 3.3.3 改变生料入射角度
• 3.3.4 增加生料进口
• 3.4 煤粉燃烧的数值模拟
• 3.4.1 烟煤的燃烧
• 3.4.2 不同煤质煤粉的燃烧
• 3.4.3 劣质煤的优化燃烧
• 3.4.3.1 改变三次风速率
• 3.4.3.2 改变煤粉入射角度
• 3.4.3.3 改变喷煤管方位
• 3.5 本章小结
• 第4章 旋流式分解炉的数值模拟
• 4.1 模型建立
• 4.2 气相流场
• 4.3 气固二相流场
• 4.3.1 原始模型
• 4.3.2 改变三次风速
• 4.3.3 改变烟气速率
• 4.3.4 改变生料入射角度
• 4.3.5 改变生料进口方位
• 4.4 煤粉燃烧的数值模拟
• 4.4.1 煤粉在分解炉内的燃烧机理研究
• 4.4.1.1 挥发分的释放与燃烧
• 4.4.1.2 焦炭的燃烧机理研究
• 4.4.2 不同煤质煤粉的燃烧
• 4.4.2.1 粒子轨迹
• 4.4.2.2 挥发分释放速率
• 4.4.2.3 焦炭燃烧速率
• 4.4.3 劣质煤的优化燃烧
• 4.4.3.1 基本模型
• 4.4.3.2 改变喷煤管方位
• 4.5 本章小结
• 第5章 旋—喷结合式分解炉的数值模拟
• 5.1 模型建立
• 5.2 气相流场
• 5.3 气固二相流场的数值模拟与结构优化
• 5.3.1 原始模型
• 5.3.2 改变三次风速率
• 5.3.3 改变烟气速率
• 5.3.4 改变生料入射角度
• 5.3.5 改变原料分配比例
• 5.3.6 改变进料管相对位置
• 5.4 煤粉燃烧的数值模拟
• 5.4.1 烟煤的燃烧
• 5.4.2 不同煤质煤粉的燃烧
• 5.4.3 劣质煤的优化燃烧
• 5.4.3.1 改变喷煤管方位
• 5.4.3.2 改变三次风速率
• 5.5 本章小结
• 第6章 不同结构分解炉的对比研究
• 6.1 气相流流场
• 6.2 气固二相流流场
• 6.3 煤粉燃烧
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间获奖与科研工作情况
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢