煅烧水泥熟料用大颗粒流化床的动力学特性研究

论文摘要

本论文重点对大颗粒流化床的动力学特性及床层的稳定性进行了详细的研究,旨在通过深入了解大颗粒流态化现象,开发出具有自主知识产权的新型流态化水泥熟料煅烧装置。本研究的要点及所获得的主要成果如下: ■大颗粒流化床动力学的实验研究 借助高速摄影的图片分析手段,对二维大颗粒流化床中气泡的行为进行了观测。首次提出在大颗粒流化床中,气泡成长受四种机制控制:颗粒排开机制、颗粒淋落机制、气泡聚并机制、渗流机制;在气泡的上升过程中,气泡的直径在不断长大,床内很容易发生节涌;气泡在床面破裂时,颗粒向上的溅射速率和高度均很大。 通过对三维床的研究,发现大颗粒三维流化床的临界流化风速低于二维床,并且这种趋势随颗粒尺寸的增加而愈发明显;当流化颗粒尺寸降低、粒度分布变宽时,大颗粒流化床的节涌现象得到明显的改善,表现出较好的流化质量。 本研究推荐平均粒径为3.4mm、具有较宽粒度分布物料作为水泥熟料煅烧过程中料球的几何参数。 以该粒度物料为重点考察对象,对大颗粒流化床开展了压强脉动信号的时频分析。研究表明:随流化数的增加,压强脉动方差值会有明显地增加;首次发现可以通过观察压强脉动方差变化的规律,得到三维流化床中气泡上升过程的运动信息;依据压强脉动信号的频域分析发现三维床中床高100mm处为原始气泡的形成区域;随流化数的增加,在床的大部分区域,压强脉动主频随之增加,表明气泡上升速度增加。 上述研究表明:控制床的高径比为1、流化数为2.06以下,能有效地缓解大颗粒流化床的过分膨胀及节涌现象的发生,提高流化床的流化稳定性。 ■大颗粒流化床的数值仿真研究 气相运动的数学描述采用了Euler的方法;而对颗粒相的描述则采用了Lagrange方法。颗粒之间的碰撞模拟采用了软球模型。利用Fortran语言自行编制

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 课题的由来及意义
• 1.2 流化床煅烧水泥熟料技术的国内外研究现状
• 1.2.1 流态化技术在水泥工业中的应用
• 1.2.2 国内外水泥熟料流态化煅烧技术研究的主要进展
• 1.3 本课题的研究目标
• 1.4 本课题的研究内容
• 1.5 本研究技术路线
• 参考文献
• 第2章 二维大颗粒鼓泡流化床动力学特性的试验观测
• 2.1 大颗粒流化床的研究简述
• 2.2 大颗粒二维鼓泡流化床动力学特性的研究
• 2.2.1 鼓泡床中气泡及乳化相的一般属性
• 2.2.2 试验研究
• 2.2.3 试验结果及分析
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 附表
• 第3章 三维大颗粒鼓泡流化床动力学特性的试验观测
• 3.1 三维床床层动力学特性的试验研究
• 3.1.1 试验装置及所用原料
• 3.1.2 试验结果与分析
• 3.2 压强时间序列信号的时频分析
• 3.2.1 流化床的压强脉动现象
• 3.2.2 大颗粒流化床压强时间序列信号的时频分析
• 3.2.3 试验结果与分析
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 附图
• 第4章 大颗粒气固流化床的数值仿真程序的编制
• 4.1 气固两相流数值仿真技术简介
• 4.2 流体相模型建立的基本原理
• 4.2.1 流体相的基本运动方程
• 4.2.2 基本假设条件
• 4.2.3 本次模拟使用的流体相运动方程
• 4.2.4 相间耦合方式说明
• 4.2.5 定解条件
• 4.3 颗粒运动模型建立的基本原理
• 4.3.1 基本假设条件
• 4.3.2 颗粒运动方程的建立
• 4.3.3 定解条件
• 4.3.4 计算时间步长的确定
• 4.4 数值计算的方法
• 4.4.1 流体相的数值计算方法
• 4.4.2 颗粒运动的数值计算方法
• 4.4.3 程序的计算流程
• 4.4.4 气固耦合的编程思路
• 4.5 程序计算的有效性验证
• 4.5.1 实验室试验与数值仿真研究的对比
• 4.5.2 结果分析与比较
• 4.5.3 仿真结果的特点分析
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 室温条件下大颗粒流化床的动力学仿真研究
• 5.1 室温大颗粒流化床仿真研究内容
• 5.2 结果及分析
• 5.2.1 颗粒混合特性研究
• 5.2.2 操作流化数与流化床膨胀高度的关系
• 5.2.3 大颗粒流化床内流场的分布情况
• 5.2.3 大颗粒流化床内颗粒群的速度分布
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第6章 不同气体温度下大颗粒流化床的动力学仿真研究
• 6.1 不同气体温度下二维大颗粒流化床动力学仿真
• 6.1.1 试验目的
• 6.1.2 试验条件
• 6.1.3 不同气体温度下流化床临界流化风速的测量
• 6.1.4 高温流化床的压降脉动
• 6.1.5 高温床内颗粒的混合特性
• 6.1.6 高温床层的膨胀特性
• 6.1.7 高温床内颗粒的速度分布
• 6.1.8 高温流化床中颗粒的受力分析
• 6.1.9 高温大颗粒流化床的空隙率
• 6.1.10 高温床内努谢尔特数场的分布
• 6.2 本章小结
• 参考文献
• 第7章 大颗粒流态化水泥熟料煅烧的热态模型试验
• 7.1 流态化水泥熟料煅烧系统的结构设计
• 7.1.2 流化床单体的结构
• 7.1.3 预热带和分解预煅烧带结构
• 7.1.4 冷却带结构
• 7.1.5 系统集成后的结构
• 7.2 流化床单体高温稳定运行试验
• 7.2.1 试验物料特性
• 7.2.2 流化床熟料煅烧系统稳定运行试验及结果分析
• 7.3 流化床熟料煅烧装置存在的问题
• 7.3.1 系统稳定运行的思考
• 7.3.2 现有热态装置存在的问题
• 7.3.3 下一步工作的改进方案
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第8章 全文总结与展望
• 第一部分 大颗粒流化床床层动力特性的实验室研究
• 8.1 二维大颗粒流化床的动力学特性的试验观测
• 8.2 三维大颗粒流化床的动力学特性的试验观测
• 第二部分 大颗粒流化床流化行为的数值仿真研究
• 8.3 大颗粒流化床的数值仿真程序的编制
• 8.4 室温条件下大颗粒流化床的数值仿真研究
• 8.5 不同温度下大颗粒流化床的数值仿真研究
• 第三部分 热态模型试验
• 8.6 大颗粒流态化水泥熟料煅烧的热态模型试验
• 8.7 展望
• 学习阶段研究成果
• 攻读博士期间完成和参与的主要工作及获奖情况
• 致谢