过热蒸汽流化床气流粉碎分级机的数值模拟与实验研究

摘要

2004年我国粉煤灰存储量已达25亿吨，并以2亿吨/年以上的速度递增。大量的粉煤灰排放不仅侵占土地，而且严重污染环境，所以开发利用低等级粉煤灰迫在眉睫。目前关于粉煤灰利用的高附加值技术由于对细度的严格要求而难以推广应用。现行的机械磨、气流磨由于效率低、能耗高、粒度分布宽等缺点制约了规模化生产。以电厂背压抽气为动力的过热蒸汽气流粉碎机制备超细粉体，具有粉碎力强，较低的能耗等优势，可实现粉煤灰的低成本、规模化生产，又能有效提高电厂综合热效率。但国内外对过热蒸汽气流粉碎研究极少，设计参数的选取及实际研究深度不够，尚处于探索性阶段。
　　 本文利用FLUENT流体计算软件建立不同的数值模型，首次通过模拟分析不同粉碎工质、过热蒸汽不同工况、不同喷嘴设计马赫数下流化床气流粉碎机的流场，对以过热蒸汽作为工质的气流粉碎机效率高给予了解释；为确定合理的工况条件提供参考；确定最佳喷嘴设计马赫数范围为1.8到2.0，进而完成过热蒸汽超音速喷嘴的设计；喷嘴喷射距离决定流化床粉碎腔尺寸，通过研究喷嘴喷射气流对颗粒加速特性的影响，确定颗粒获得最大速度时喷嘴的最佳喷射距离为15倍无因次距离，进而指导粉碎腔尺寸的选取。通过模拟不同高径比对分级区流场的影响，确定最佳分级轮高径比为0.4，进而指导分级区尺寸设计。通过数值模拟得出的结论达到对过热蒸汽粉碎分级机主要结构的优化，为设备放大奠定了基础。首次模拟了不同蒸汽进口温度对过热蒸汽袋式除尘器的影响，结合模拟结果提出针对不同进口温度采用不同的防结露措施。本文利用四川巴蜀江油电厂背压抽汽的低品位蒸汽作为动力，进行了过热蒸汽流化床气流粉碎分级机制备超细粉煤灰的试验，对其操作参数的影响进行了试验分析，对以后的规模化生产具有指导意义。制备的超细粉煤灰具有良好的粒径分布和形貌特征，活性大幅提高，其各项指标均能达到砂浆和混凝土用的一级粉煤灰技术要求。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 粉煤灰特性及利用现状

1.1.1. 粉煤灰特性

1.1.2 粉煤灰利用现状

1.2 超细粉煤灰制备设备

1.3 工业余热的利用现状

1.4 超细气流粉碎技术

1.4.1 超细气流粉碎分级技术简介

1.4.2 超细气流粉碎理论研究现状

1.5 过热蒸汽气流粉碎装置简介

1.6 存在的问题及发展趋势

1.7 本课题研究意义及主要内容

1.7.1 研究意义

1.7.2 研究内容

1.8 本课题来源

2 FLUENT软件及数值方法

2.1 FLUENT软件介绍

2.1.1 FLUENT软件求解问题的步骤

2.1.2 GAMBIT简介

2.1.3 GAMBIT划分网格的方法

2.2 流化床气流粉碎分级机模型建立及网格划分

2.2.1 物理模型

2.2.2 网格划分

2.3 边界条件与数值方法

2.3.1 边界条件

2.3.2 数值方法

2.4 本章小结

3 过热蒸汽流化床气流粉碎分级机数值模拟研究

3.1 不同工质下流化床气流粉碎机流场数值模拟

3.1.1 不同工质气流粉碎速度的变化

3.1.2 不同工质下粉碎腔内引射气流变化情况

3.1.3 不同工质下粉碎腔内静压数值变化

3.1.4 过热蒸汽工质不同进口压力对粉碎气流速度的影响

3.1.5 过热蒸汽工质不同背压对粉碎气流速度的影响

3.1.6 过热蒸汽工质不同进口温度对粉碎气流速度的影响

3.1.7 过热蒸汽工质不同进口温度下射流温度的变化

3.1.8 过热蒸汽流化床粉碎机内温度的变化

3.2 超音速喷嘴不同设计马赫数的数值模拟

3.2.1 背压对超音速喷嘴设计的影响

3.2.2 不同设计马赫数下流场的速度云图

3.2.3 不同设计马赫数下流场速度的变化

3.2.4 不同设计马赫数下流场马赫数的变化

3.2.5 不同设计马赫数下流场动压和静压的变化

3.2.6 过热蒸汽用超音速喷嘴的最佳设计马赫数

3.2.7 过热蒸汽Laval喷嘴的设计

3.3 喷嘴喷射距离对颗粒加速性能的影响

3.3.1 过热蒸汽流化床内颗粒运动轨迹

3.3.2 单颗粒在气流中的加速方程

3.3.3 轴心速度对颗粒加速特性的影响

3.3.4 质量平均流速对颗粒加速特性的影响

3.3.5 过热蒸汽流化床气流粉碎机的喷嘴最佳喷射距离

3.4 分级机不同高径比的数值模拟

3.4.1 分级机高径对分级机性能的影响

3.4.2 不同分级机高径比对气流径向速度的影响

3.4.3 最佳高径比下分级机气流轴向速度的变化

3.4.4 最佳高径比下分级机气流切向速度的变化

3.5 本章小结

4 过热蒸汽用袋式除尘器的应用

4.1 抗高温高湿袋除尘的研究现状

4.1.1 高温高湿烟气的特点

4.1.2 滤料的选择

4.1.3 抗结露除尘的技术措施

4.1.4 过热蒸汽袋式除尘器存在问题及研究方法

4.2 过热蒸汽袋式除尘器的数值计算方法

4.2.1 物理模型

4.2.2 计算网格

4.2.3 边界条件

4.2.4 不同进口温度下除尘器内部温度场的变化

4.2.5 除尘器防结露优化改进

4.3 本章小结

5 过热蒸汽制备超细粉煤灰的研究

5.1 试验原料及试验条件

5.1.1 试验原料

5.1.2 试验设备及工艺方法

5.1.3 测试装置

5.2 试验结果与讨论

5.2.1 常温风机对实验的影响

5.2.2 过热蒸汽粉碎与振动磨超细粉煤灰粒径分布比较

5.2.3 超细粉煤灰表征与分析

5.2.4 过热蒸汽气流粉碎操作参数的影响

5.3 超细粉煤灰在混凝土中的应用

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果