水泥回转窑和篦冷机内气固两相流及换热过程的数值研究

论文摘要

回转窑是一种具有燃烧、换热、化学反应以及物料输送等主要功能的生产设备。具有容积大、能耗高、物料长滞留、燃料适应性强等特性。但回转窑与其它热工设备相比热效率低。如何促进物料与空气的混合,强化气固换热,减少热损失是亟待解决的问题。为此,必须对回转窑内物料、煤粉和空气的流动和传热特性开展深入研究,用以指导回转窑技术和结构改进,从而实现提高运转效率和降低能耗的目的。同时,由于问题的复杂性与典型性,该项研究对稠密气固两相流学科领域也具有重要理论意义。本文以一台Φ4.3×64m水泥回转窑为工程背景,对包括燃烧器和篦冷机在内的完整的回转窑系统进行了多维数值模拟研究。性能优良的燃烧器能够保证为水泥回转窑提供最佳的热工条件。本文首先对一台四通道旋流燃烧器内的气固两相流进行了模拟研究,应用欧拉-拉格朗日计算方法,对窑内煤粉-空气两相湍流流场进行模拟,系统地研究了各风道不同送风量及旋流叶片角度对燃烧器出口流场中的速度分布的影响,详尽的分析了不同工况下冷态射流湍流场的流态变化规律。计算结果表明,燃烧器的中心回流区对实现快速点火和稳定燃烧具有重要作用,内旋流风和高速外风使得煤粉和空气充分混合,并卷吸了高温二次风,促进了煤粉燃烧。提高外风风速会促进煤粉颗粒的运动,但风速需要控制在适宜的范围内。其次,基于欧拉-欧拉法,建立了回转窑内物料与气体的两相流动模型,分别对其二维横截面与三维窑体内的流动和传热特性进行数值研究。把颗粒流体的动理学理论引入该项研究,将物料颗粒的随机运动比拟为分子热运动,引入颗粒温度作为描述颗粒随机运动动能的变量,建立颗粒的本构方程,从而封闭固相动量方程。考虑了物料反应、辐射传热及窑壁间接式传热等诸多因素。讨论横截面内物料、壁面和自由空间气体之间的换热机理,应用热量源项在二维模型中考虑轴向温度梯度的影响,分析物料、壁面和自由空间气体三相间的换热机制。通过计算得到了颗粒物料在回转窑内随窑壁回转的复杂运动特性及其空间分布规律,获得了回转窑内温度分布曲线,及不同区域气体、物料和窑壁之间的换热量。计算结果与文献试验值相吻合,说明该计算模型具有较好的预测能力,可以为改进与优化回转窑的工艺操作流程提供指导。最后,针对熟料在篦冷机内的输运与冷却换热过程,应用欧拉-欧拉两相流计算方法及多孔介质模型,进行了二维数值模拟,主要分析了熟料的输运、熟料与气体的换热特性。计算结果表明,颗粒增大会使熟料床的厚度明显增厚,直径为20mm的熟料与空气换热最好,空气温度升高最大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水泥窑的发展
• 1.2.2 水泥回转窑工艺流程
• 1.2.3 回转窑燃烧器研究概况
• 1.2.4 回转窑物料输运特性
• 1.2.5 回转窑内传热特性
• 1.2.6 水泥冷却机传热研究进展
• 1.3 本文研究内容
• 2 气固两相输运及传热数学模型
• 2.1 气固两相流模型分类
• 2.2 欧拉-欧拉法气固两相流模型
• 2.2.1 基本控制方程组
• 2.2.2 气固两相相互作用力
• 2.2.3 气相湍流模型
• 2.3 欧拉-拉格朗日法气固两相流
• 2.3.1 基本控制方程组
• 2.3.2 颗粒相模型
• 2.4 换热模型
• 2.4.1 一维轴向模型
• 2.4.2 截面模型
• 2.4.3 准三维模型
• 2.5 本章小结
• 3 四通道煤粉燃烧器内气固两相流数值模拟
• 3.1 数学及物理模型
• 3.1.1 气相流动方程
• 3.1.2 颗粒相模型
• 3.1.3 物理模型和网格划分
• 3.1.4 数值方法及边界条件
• 3.2 两相湍流特性及煤粉颗粒的分布特性
• 3.2.1 模型验证
• 3.2.2 两相湍流特性
• 3.2.3 煤粉颗粒的运动特性及分布规律
• 3.3 煤粉颗粒分布的影响因素分析
• 3.3.1 颗粒粒径对煤粉颗粒分布的影响
• 3.3.2 中心风对煤粉颗粒分布的影响
• 3.3.3 煤风对煤粉颗粒分布的影响
• 3.3.4 内风对煤粉颗粒分布的影响
• 3.3.5 外风对煤粉颗粒分布的影响
• 3.4 本章小结
• 4 回转窑内物料与空气两相流动及传热研究
• 4.1 两相流输运及传热模型
• 4.1.1 输运模型
• 4.1.2 传热模型
• 4.2 物料模型
• 4.3 二维回转窑横截面颗粒流动特性数值模拟
• 4.3.1 物理模型描述
• 4.3.2 模型及网格无关性验证
• 4.3.3 实验尺度物料流动特性影响因素分析
• 4.3.4 工程尺度回转窑内物料流动特性和气体流动特性
• 4.3.5 工程尺度的影响因素分析
• 4.4 二维回转窑传热数值模拟
• 4.4.1 对流换热模型
• 4.4.2 辐射换热模型
• 4.4.3 回转窑内物料及烟气传热特性
• 4.4.4 影响因素分析
• 4.5 三维回转窑气固两相流数值模拟
• 4.5.1 物理模型
• 4.5.2 网格划分
• 4.5.3 数值方法及边界条件
• 4.5.4 模型验证
• 4.5.5 模拟结果分析
• 4.5.6 工程尺度物料输运特性
• 4.6 本章小结
• 5 篦冷机换热过程数值模拟
• 5.1 篦冷机气固输运及换热原理
• 5.1.1 多孔介质模型动量方程
• 5.1.2 Darcy粘性阻力项
• 5.1.3 惯性损失项
• 5.1.4 多孔介质模型能量方程
• 5.2 篦冷机气固输运及换热特性
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 6.3 创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介