煅烧水泥熟料用大颗粒流化床的动力学特性研究

摘要

本论文重点对大颗粒流化床的动力学特性及床层的稳定性进行了详细的研究，旨在通过深入了解大颗粒流态化现象，开发出具有自主知识产权的新型流态化水泥熟料煅烧装置。本研究的要点及所获得的主要成果如下： ■大颗粒流化床动力学的实验研究 借助高速摄影的图片分析手段，对二维大颗粒流化床中气泡的行为进行了观测。首次提出在大颗粒流化床中，气泡成长受四种机制控制：颗粒排开机制、颗粒淋落机制、气泡聚并机制、渗流机制；在气泡的上升过程中，气泡的直径在不断长大，床内很容易发生节涌；气泡在床面破裂时，颗粒向上的溅射速率和高度均很大。 通过对三维床的研究，发现大颗粒三维流化床的临界流化风速低于二维床，并且这种趋势随颗粒尺寸的增加而愈发明显；当流化颗粒尺寸降低、粒度分布变宽时，大颗粒流化床的节涌现象得到明显的改善，表现出较好的流化质量。 本研究推荐平均粒径为3.4mm、具有较宽粒度分布物料作为水泥熟料煅烧过程中料球的几何参数。 以该粒度物料为重点考察对象，对大颗粒流化床开展了压强脉动信号的时频分析。研究表明：随流化数的增加，压强脉动方差值会有明显地增加；首次发现可以通过观察压强脉动方差变化的规律，得到三维流化床中气泡上升过程的运动信息；依据压强脉动信号的频域分析发现三维床中床高100mm处为原始气泡的形成区域；随流化数的增加，在床的大部分区域，压强脉动主频随之增加，表明气泡上升速度增加。 上述研究表明：控制床的高径比为1、流化数为2.06以下，能有效地缓解大颗粒流化床的过分膨胀及节涌现象的发生，提高流化床的流化稳定性。 ■大颗粒流化床的数值仿真研究 气相运动的数学描述采用了Euler的方法；而对颗粒相的描述则采用了Lagrange方法。颗粒之间的碰撞模拟采用了软球模型。利用Fortran语言自行编制了整个大颗粒流化床数值仿真计算程序。利用SIMPLE算法对气相流场进行了数值求解。同时由于采用了独特的颗粒与流体双向耦合技术并首次使用了精确的空隙率计算方法，使得计算结果的准确性大大提高。程序的有效性验证证明了所开发的大颗粒流化床数值仿真程序能够可靠的指导研究工作。 在三种流化数下，相继开展了内含11000个颗粒的大颗粒流化床在室温和高温条件下的数值仿真试验。研究表明： ①提高大颗粒流化床的流化数，可加速流化床内的颗粒混和； ②由操作流化数与床层膨胀比关系可知，大颗粒流化床可操作流化数的范围较窄； ③床内形成气泡时，向上流动的气体将发生明显的转向，从乳化相的高压区流向气泡下部的低压区进入气泡，并从气泡项部的高压区流出进入乳化相的低压区，气体流速基本保持不变。气泡内部存在一定的压力梯度。当流化数提高后，流入气泡的气体量及气体速度均明显增加，但气泡两侧的气体过流量则相对减少，甚至在流化数为1.67时，部分区域不存在气体的过流。此时流化气体大量以气泡形式“短路”通过床层，降低了颗粒与流体的瞬间接触效率； ④随流化数的提高，床内大颗粒的循环运动程度迅速减少，气体与颗粒主要在y方向上进行动量传递，使得床面附近颗粒群拥有了很高的弹射速率，是导致大颗粒流化床操作范围相对较窄的根本原因； ⑤大颗粒流化床气泡内存在着明显的颗粒淋落现象，在一定程度上有助于床内颗粒与热气流之间的换热； ⑥所开展的不同温度尤其是高温条件下的大颗粒流化床数值仿真研究表明：大颗粒流化床的临界流化风速随温度的升高呈现较为复杂的变化规律。但临界雷诺数则随温度的升高而减小，至高温区后降低程度才有所放缓。1700K时临界流化风速由300K时的1.25m/s升至1.3m/s左右。通过数据拟合，得到了粒径为3mm颗粒的流化床临界流化风速与温度的关联式； ⑦在相同的流化数下，高温流化床运行相对平稳，颗粒的混合程度相对减弱；颗粒向上扬起的高度有所降低，床层的膨胀比明显降低； ⑧通过对1700K高温流化床中颗粒受力分析表明，颗粒受到的气体曳力是床层产生宏观运动的原始外力。随流化数的提高，床内颗粒的碰撞越来越激烈。发现：当流化数超过1.33后，床内部分区域内部分颗粒的运动受碰撞力的影响逐渐超过了颗粒自身重力和气体曳力的作用。当流化数为1.67时，气泡两侧与床壁面之间的乳化相区域中，颗粒将主要受到碰撞力影响。在该流化数下煅烧水泥料球，将有可能增加料球的破碎率； ⑨在1700K的大颗粒流化床中，乳化相大部分区域的颗粒群仍基本保持类似堆积床的填充形式。“气泡边界过渡区”范围随流化数的增加是乳化相平均空隙率提高的根本原因； ⑩Nu数的分布云图证明，大颗粒流化床中各区域具有良好一致的对流换热特性，在流化数为1.33-1.67范围时，Nu数约在4-6之间。 综上所述，高温条件下的操作流化数范围可适当放宽，但由于在流化数为1.67时仍然可以在床内发现尺寸巨大的气泡，并且颗粒将受到较高的碰撞力，所以流化数仍不易太高。通过高温仿真试验推荐流化数范围在1.33-1.67之间。 ■流态化装置的热态模型试验 以大颗粒流化床动力学特性的研究结果为指导，首次开发成功了运行稳定的大颗粒流化床水泥熟料煅烧装置。热态模型试验表明：该工艺流程构思基本合理，整个系统能够较平稳的运行。适宜的流化床起始建床温度约为600℃左右，静床层高度为300mm左右。为确保流化床系统不因风量波动等问题出现“死床”现象，在1400℃左右时，流化床单体稳定运行的操作流化数控制在约1.5-2.0之间，略高于高温仿真试验的推荐范围，但仍符合实验室三维床的研究结果；床层压降约在3500～5000Pa；系统零压面位置控制在距流化床底部300mm左右的范围内。本装置煅烧出的熟料质量普遍优于普通立窑，达到了国家标准中关于52.5号水泥的规定，且具有熟料球尺寸小、多孔、质轻等优点，有望大幅度降低粉磨功耗。

目录

文摘

英文文摘

声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

第一部分大颗粒流化床动力学的实验研究第2章二维大颗粒鼓泡流化床动力学特性的试验观测

第一部分大颗粒流化床动力学的实验研究第3章三维大颗粒鼓泡流化床动力学特性的试验观测

第二部分大颗粒流化床的数值仿真研究第4章大颗粒气固流化床的数值仿真程序的编制

第二部分大颗粒流化床的数值仿真研究第5章室温条件下大颗粒流化床的动力学仿真研究

第二部分大颗粒流化床的数值仿真研究第6章不同气体温度下大颗粒流化床的动力学仿真研究

第三部分热态模型试验第7章大颗粒流态化水泥熟料煅烧的热态模型试验

第8章全文总结与展望

学习阶段研究成果

致 谢