外循环式高固气比分解炉内流动与燃烧的数值模拟

摘要

外循环式高固气比分解炉自设计研发到工程应用已经历经了20余年，接受了时间的检验。为更深入地分析高固气比系统内的气固相流场及温度场，本课题基于ANSYS CFX商用软件，通过数值模拟来更加仔细的研究炉内的流动和煤粉分散燃烧情况，所得主要结论如下： （1）气相流场中采用k-ε标准双方程湍流模型，通过气流流线图、压力云图以及速度矢量分布图说明了炉内的流动规律：分解炉上行管0m～11m区域为“喷腾上升区”，11m以上为“平推上升区”，分解炉下行管为“旋转向下区”。改变分解炉上行管的外形结构（增加5°倾斜角），分解炉“喷腾上升区”较原模型减少2m～3m。 （2）气固两相流场中采用The Particle Transport模型主要研究了分解炉内物料颗粒的停留时间。结果表明：物料颗粒在分解炉内的平均停留时间约为7.63s，最大停留时间为15s。随三次风速的增大，物料颗粒在炉内的停留时间延长；随三次风管偏心距离de的增大，物料颗粒在炉内的停留时间也有所延长。改变分解炉上行管的外形结构（增加5°倾斜角）后物料颗粒在炉内的停留时间小于原模型。水泥生料特征粒径De分别等于10μm、30μm、50μm和80μm时物料颗粒在炉内的停留时间分别为6.97s、7.71s、7.85s和7.67s，水泥生料过细和过粗都不利于延长其在分解炉内的停留时间。 （3）分解炉内煤粉分散燃烧过程采用了双挥发模型，通过O2浓度场、CO2浓度场、温度场和煤粉运动轨迹图等分析了炉内的燃烧过程，结果显示：分解炉上行管下端中心处CO2浓度高于其余部位，分解炉上行管上半段的CO2浓度高于下半段分；O2浓度分布与CO2浓度分布相反；温度场分布与CO2浓度场分布一一对应，即CO2浓度较高的区域温度也相对较高。随三次风速的增大，进入炉内的煤粉回流返混，分散性越来越好。随喷煤管入射角度α的增大，煤粉在炉内的分散性越来好，以45°～60°之间为宜。

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主 要 符 号 表

1 绪论

1.1 引言

1.2 分解炉简介

1.3 课题研究背景

1.4 课题研究的目标及方案

1.5 CFD技术及其在水泥分解炉研究中的应用

1.6 ANSYS CFX商用软件介绍

2 文献综述

2.1 分解炉内气相流场模拟研究现状

2.2 分解炉内气固两相流场模拟研究现状

2.3 分解炉内煤粉燃烧模拟研究状况

3 外循环式高固气比分解炉气相流场的数值模拟

3.1 几何建模及网格划分

3.2 数学模型

3.3 边界条件

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

4 外循环式高固气比分解炉气固两相冷态流场的数值模拟

4.1 几何建模及网格划分

4.2 数学模型

4.3 边界条件

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

5 外循环式高固气比分解炉煤粉分散燃烧的数值模拟

5.1 几何建模及网格划分

5.2 数学模型

5.3 边界条件

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录 硕士研究生学习阶段的研究成果

致谢