废旧轮胎裂解炉结构及温度数值模拟研究

摘要

随着汽车工业的快速发展，废旧轮胎的数量越来越多，随意放置的废旧轮胎逐渐发展成为一种新的“黑色污染”，怎样安全环保地处理废旧轮胎成为世界各国政府亟待解决的问题。在各种处理废旧轮胎的方法中，热裂解是一种高效环保的处理方法，并且存在很大的发展空间。热裂解炉是热裂解设备的核心部分，且位于热裂解炉内的热裂解盘是废旧轮胎热裂解反应过程中的重要部件，热裂解盘表面温度分布对裂解产物的生成及质量有很大影响。热裂解盘表面的耙叶推动着物料做螺旋线运动，使物料形成料环。不同结构形式的耙叶能够使物料形成不同形状及高度的料环，同时会影响传质传热的过程。热裂解设备结构、耙叶、热裂解盘表面数值模拟研究是本文主要的研究内容，具体从以下几个方面进行研究分析:
　　(1)综合考虑了热裂解设备的反应温度、进料的多样性、密封性及保温性等因素，设计了几种连续性生产和间歇性生产的热裂解炉结构。同时比较各种设备的优劣性，选择出较优的设备，进行模拟仿真研究。
　　(2)耙叶在热裂解盘上推动废旧轮胎小块做螺旋线运动，不同形状结构的耙叶，会使料环的高度分布不一。为了使废旧轮胎小块在热裂解盘上进行较好的传质、传热活动，耙叶长、宽、高及安装系数等一系列设计参数必须满足一定的条件。设计了一种耙叶结构，该结构使热裂解盘表面的废旧轮胎小块形成了截面形状为等腰梯形的料环，极大增加了有效传热面积，同时增强对物料搅拌效果，提高传热效率。分别推导出取料耙叶与料环中线在不同位置关系的料环高度公式，有利于热裂解炉结构的整体设计。
　　(3)对连续性生产的两种立式热裂解炉结构方案中的空心热裂解盘进行数值模拟仿真，比较了两种方案中热裂解盘内部高温烟气温度分布和表面温度分布情况。模拟结果显示，两种热裂解盘结构表面温度都能满足完全热裂解所需要达到的最低温度要求。但是由于第二种结构方案易于产生流动死区，使得表面温度分布不均匀，会对热裂解产生不利影响，甚至影响裂解产物的品质。对两种结构的热裂解盘进行综合比较后，第一种方案中热裂解盘表面温度分布均匀，并且能够满足热裂解温度要求，是一种比较理想的热裂解盘结构。
　　因此，对热裂解盘温度分布所进行的数值模拟研究为热裂解工艺参数和热裂解炉体结构的优化奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外热裂解研究概况

1．2．1 热裂解技术研究现状

1．2．2 热裂解设备研究现状

1．3 数值模拟技术研究现状

1．4 课题来源及主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 热裂解设备结构研究

2．1 热裂解工艺及产物

2．2 影响热裂解产物的主要因素

2．2．1 热裂解温度

2．2．2 热裂解反应压力

2．2．3 热裂解停留时间

2．3 立式热裂解设备

2．3．1 单层间歇性热裂解设备

2．3．2 多层连续性热裂解设备

2．4 卧式热裂解设备

2．5 三种热裂解设备的比较

2．6 本章小结

第3章 耙叶结构研究

3．1 耙叶结构设计

3．2 料环高度公式

3．3 耙叶尺寸、数目及间距

3．4 耙叶安装角度

3．5 本章小结

第4章 热裂解盘数值模拟研充

4．1 热裂解盘物理模型的建立

4．1．1 几何模型

4．1．2 网格模型

4．2 热裂解盘数学模型的建立

4．2．1 流体运动描述

4．2．2 标准k-ε模型

4．2．3 传热模型

4．3 控制方程的离散化与计算方法

4．4 边界条件的设置及物性参数设置

4．5 热裂解盘模拟结果

4．5．1 两种结构方案热裂解盘结构内部温度场分布

4．5．2 两种结构方案热裂解盘每层表面湿度场分布

4．6 Fluent模拟结果进行对比

4．6．1 热解盘表面温度大小对比分析

4．6．2 热解盘表面温度分布方差对比分析

4．7 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目