炭素回转窑工况分析和初步数值模拟

摘要

近年来随着铝电解工业的飞速发展，作为铝生产的第二大原材料——炭素材料的生产发展很快，煅烧炭素材料的主要设备就是回转窑，它投资少，产能大，自动化程度高，适用于大规模煅烧。 本文简单介绍了回转窑的组成、分类及一些常用用途，从燃烧化学热力学和动力学出发，对炭素回转窑窑内工况进行分析，全面分析了气相的热物理性质、气相的传热、固体输运、物料层的燃烧和挥发分各成分的燃烧，根据国内外资料建立的各部分计算公式，结合流体流动及热传导的CFD软件，建立了一个炭素回转窑窑内主要燃烧物质CH4/H2燃烧的简化模型；选用k-ε湍流模型、PDF燃烧模型、离散坐标辐射传热模型进行数值模拟，得到回转窑窑内主要燃烧物质甲烷和氢气混合物的燃烧温度场图，直观地反映了回转窑窑内燃烧的结构特征和流场特点，克服了简单罗列大量数据的弊端，根据温度分布对二次风的位置确定和回转窑内衬耐火材料的选取提供理路依据，从而能够使回转窑内石油焦的挥发分充分燃烧并有效的提高回转窑的寿命，计算结果对炭素回转窑的优化设计和窑内燃烧状态的深入研究提供了理论基础。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2研究的内容和意义

1.2.1回转窑简介

1.2.2回转窑的组成与分类

1.2.3国内外煅烧状况

1.2.4本文研究的问题

1.2.5本文的工作和意义

第二章燃烧化学反应动力学基础

2.1质量交换

2.1.1定义

2.1.2输运定律和输运系数

2.1.3混气的质量守恒方程(扩散方程)

2.2混气流动的动量方程和能量方程

2.2.1动量方程

2.2.2能量方程

2.3简单化学反应系统

2.3.1简化反应系统(SCRS)定义

2.3.2混合分数

2.3.3简化反应系统的反应速率

2.3.4多步反应和平衡常数

2.4反应机理

2.4.1一级反应和单分子反应

2.4.2更高级反应

2.5比反应速率常数的确定

2.5.1阿仑尼乌斯定律[12,21]

2.5.2活化能[16,31]

第三章炭素回转窑窑内工况的分析

3.1固相输运方程

3.2传热方程

3.3物质输运方程

3.3.1物料中水分和挥发分的释放

3.3.2物料中的炭颗粒向气相中的释放

3.3.3挥发分成分的燃烧

3.3.4物料层的燃烧

3.3.5炭颗粒在气相中的燃烧

第四章控制方程的求解

4.1 FLUENT软件简介

4.1.1 FLUENT软件的组成

4.1.2 FLUENT软件的物理模型及其应用领域

4.1.3本论文所用的前置处理器

4.1.4 FLUENT解决问题的步骤

4.1.5 FLUENT软件的各项功能简介

4.2控制方程的离散求解

4.2.1控制体积法及其离散格式

4.3 SIMPLE算法

4.4施加边界条件

4.5差分方程组的解法

4.6欠松弛法

4.7收敛情况

4.8模拟结果

第五章结论

参考文献

致谢