电石渣除杂水力旋流器关键参数数值模拟试验优化与影响分析

摘要

电石渣作为我国特有的工业废弃染污物，排量巨大，现有的规模化处理方法主要以电石渣替代石灰石生产水泥为主，但受水泥市场需求急剧下滑，以及国家经济、环境的可持续发展要求，电石渣的规模化处理问题亟待解决。电石渣是电石法乙炔生产中由电石（CaC2）与水反应生成的以 Ca(OH)2为主要成分的工业废渣，另外还含有Fe、Si、Al、Mg等物相杂质，若能对其进行除杂处理，满足电石生产原料要求，实现“电石-电石渣-电石”的循环利用，则可将其变废为宝，有效解决上述问题，同时又能减少电石生产用石灰石资源匮乏问题及石灰石矿产开发带来的环境破坏。
　　本文以利用电石渣替代石灰石作为电石生产原料为目标，采用水力旋流分离方法实现电石渣中杂质的去除，根据电石用石灰技术标准，以能耗、生产效率、纯度为指标，对电石渣除杂水力旋流器进行操作参数与结构参数的优化研究，主要研究内容和创新点有：
　　采用筛分、滴定、XRD、磁选方法，对电石渣理化特性进行试验，分析了电石渣组成成分、组分含量、组分密度、质量粒度分布规律、粒度分布对电石渣中氢氧化钙含量的影响规律；结合电石用石灰技术标准，分析制定了电石渣除杂工艺；依据水力旋流分离理论与经验方法，对电石渣除杂水力旋流器除杂工艺及结构进行了初步设计。
　　通过对湍流模型、近壁面处理、多相流模型及Fluent求解方法的原理及特点进行分析，确定了适宜水力旋流器数值模拟的基本方法；结合电石渣理化特性及水力旋流器除杂工艺，分析了水力旋流器网格模型划分及网格质量检验方法、Fluent仿真方法、边界条件设置方法及仿真中的相关参数计算方法；结合水力旋流器纯水仿真与多相流仿真进行了数值模拟的可靠性研究，分析了网格数量与时间步长对旋流器压力、速度、流量计算结果的影响，确定了数值模拟适宜的网格数量与时间步长。
　　提出了基于试验设计与数值模拟结合的数值模拟试验设计方法，并通过数值模拟试验与旋流器分离试验对比，验证了方法的可行性；采用中心复合数值模拟试验设计方法进行了旋流器操作参数优化，获得了旋流器操作参数优化预测结果，并通过Fluent仿真实验与旋流器分离实验对比，验证了优化预测结果的可行性；以操作参数优化结果为基础，采用正交数值模拟试验设计方法进行了旋流器结构参数优化，获得了结构因子优化组合方案，并通过Fluent仿真实验与旋流器分离实验对比，验证了优化结果的可行性。
　　以水力旋流器操作参数优化数值模拟试验为基础，通过方差分析，研究了操作因子及其交互作用对旋流器分离性能的影响规律；以水力旋流器结构参数优化数值模拟试验为基础，通过极差分析，研究了结构因子对旋流器分离性能的影响规律；通过数值模拟，研究了优化前后的旋流器流场特征，并通过对比，分析了结构因子变化对旋流器流场的影响。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文的主要研究内容及创新点

2 电石渣除杂工艺分析与水力旋流器初步设计

2.1 引言

2.2 电石渣理化特性

2.3 电石渣除杂工艺分析

2.4 水力旋流器除杂工艺与结构设计

2.5 本章小结

3 水力旋流器数值模型及求解方法研究

3.1 引言

3.2 数值模型

3.3 求解方法

3.4 数值模拟的可靠性验证

3.5 本章小结

4 水力旋流器参数优化数值模拟及实验验证

4.1 引言

4.2 数值模拟试验设计方法的可行性研究

4.3 旋流器操作参数数值模拟试验优化与实验验证

4.4 旋流器结构参数数值模拟试验优化与实验验证

4.5 本章小结

5 水力旋流器关键参数对其性能的影响规律分析

5.1 引言

5.2 操作参数对旋流器性能的影响规律分析

5.3 结构参数对旋流器性能的影响规律分析

5.4 旋流器流场特性及结构优化前后的对比分析

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 申报专利

附录3 博士生期间参与的课题研究情况

附录4 主要符号对照表