预分解系统内流动、燃烧与分解的研究及数值模拟

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要随着我国基础建设的高速发展，水泥产量和消耗量连续几年来以惊人的速度增长。到2005年，水泥产量达到10．64亿吨，约占世界总产量的I／2。在新型干法水泥生产工艺中，预分解窑已成为水泥烧成的主要设备，其中预分解系统占有很重要的地位，其占水泥熟料生产总能耗的60％一80％。预分解系统性能的优劣、燃料的燃烧和水泥生料的分解关系到水泥熟料生产过程中资源消耗、热耗、环境污染等重要问题，是涉及我国水泥及相关行业可持续发展的重大问题。因此，对新型干法水泥核心设备一预分解系统内流场、燃烧及分解等相关问题进行系统研究与分析已成为水泥工业领域中的重要研究课题之一。本论文依托国

2、家高技术研究发展计戈0(863计划)项目——低环境负荷型水泥及胶凝材料关键制备技术(项目编号：2002AA335050)。围绕预分解系统内流动、煤粉f替代燃料)的燃烧和水泥生料的分解及其耦合关系，进行了大量的实验分析、数值模拟和理论研究，提出了高效低环境负荷预分解系统设计和改造的优化方法、劣质燃料催化燃烧理论及技术和水泥生料分解节能关键技术。主要成果与创新之处如下：1．提出了基于计算流体力学技术的预分解系统优化设计方法，利用Fluent软件分析预分解系统内冷态流场的分布情况，研究结构参数(柱体高度、中部缩口)和工况条件(旋流风、喷腾风)对预分解系统内冷态流场的影响规律，将得到的结果与

3、水泥生产线实际结果进行比较，进一步验证了基于计算流体力学技术的预分解系统优化设计方法的有效性。同时，根据大量的数值结果分析建立预分解系统内流动模型。2．以着火温度、着火和燃尽指数为评价指标分析了高灰分煤粉燃烧特性，针对高灰分煤的燃烧特点，建立基于新型干法水泥生产工艺的高灰分煤催化燃烧理论和技术体系，采用热重分析法研究分析了碱金属盐、金属氧化物和碳酸盐对高灰分煤燃烧特性的影响规律；探讨了催化燃烧对煤粉燃烧动力学的影响，分析了煤粉着火和活化能间的关系；结合燃烧动力学和煤粉燃烧过程残余物的微细观结构、物相组成等方面研究其催化燃烧机理。并采用氧传递、电子转移学说对其进行了解释。3．利用热重分

4、析法研究了废轮胎胶粉的燃烧特性，探讨了胶粉的基本特性与燃烧过程。分析了升温速率和煤粉、胶粉混合比例对燃料燃烧特性的影响规律，探讨了煤粉与胶粉混合燃烧的作用机理。通过分析认为，在废旧轮胎胶粉和煤粉的混合物燃烧武汉理工大学博士学位论文过程中，从总体上表现为胶粉与煤相互作用的结果，不能由各组分燃烧特性简单叠加而成。在此基础上，初步探讨了胶粉等替代燃料在水泥工业高效利用的关键技术。4．研究了利用热重分析法与标准曲线法求解水泥生料颗粒热分解的反应机理与动力学参数。在此基础上，探讨了有机酸(柠檬酸、草酸和酒石酸)、金属氧化物等外加剂对水泥生料中碳酸钙热分解特性、动力学特性等影响规律，提出了水泥生

5、料热分解节能降耗关键技术。分析了煤粉燃烧、催化燃烧与水泥生料分解间的耦合作用，同时进一步从理论的角度解释了二者之间的耦合作用机理。5．结合3750t／d水泥熟料生产线中分解炉内煤粉燃烧过程进行了数值模拟；在此基础上，采用有限速率／涡耗散模型模拟研究了喷旋分解炉的三维流动、煤粉燃烧以及CaC03分解过程及其耦合作用，分析了热态状况下分解炉内气流速度场、温度场、颗粒浓度场及气相组份场等。本文研究成果将为预分解系统的优化设计和高效稳定运行、劣质燃料的高效资源化利用和水泥生料高效低能耗分解提供一定的理论基础和技术支撑。关键词：预分解系统：流动；燃烧；分解；数值模拟武汉理工大学博士学位论文Ab

6、stractWiththeincreasingdevelopmentofconstructioninChina，theoutputandconsumptionofcementincreasewonderfullyforafewyears．Until2005，theoutputofcementis10．64millionstons，whichisahalfofthetotaloutputsintheworld．Intheproductionofclinker，thepre-calcinedkilnssystemisthemainstreamofclinkeringsystem，andt

7、hepre：calcinedsystemisveryimportant．Thecharacteristicsofpre—calcinedsystem，combustionoffuelanddecompositionareimportanttoconsumptionofresources，heatconsumptionandenvironmentalpollution，whichrelatetothesustainabledevelopmentofcemen