水泥生产过程数值模拟研究

《水泥生产过程数值模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、水泥生产过程数值模拟研究史才军曹张（湖南大学土木工程学院，长沙410082）摘要：水泥生产工艺是一个非制复杂的物理变化和化学变化的过程，为了研究这一过程，帘采用建立数学模型进行模拟的方法。对模拟水泥生产的模型进行了评述，并分析了其优点和缺点oMujumdar的RoCKS计算模型是目前最为完备的整体计算模型，但实际的生产情况与计算模型仍存在一定的差异。对英中单个工艺环节建立的数学模型有一定的局限性，但其计算结果史加准确，对工艺的改进和进一步建立完整的数学模型意义很大。TakakoYuko建立的颗粒模型利DeliangShi建立的热力学模型，同样都是研究颗粒物理化学活

2、动和能量传递的微观机理，准确的把握微观机理，才能准備全面的研究水泥生产工艺。文草最后提出一种控制温室气体的排放的何效途径：二氧化碳的捕捉和储藏技术。关键词：水泥：生产：模拟：数学模塑：二氧化碳SIMULATIONOFTHECEMENTPRODUCTIONAbstract:Keywords:随着我国基础建设的高速发展，水泥产量和消耗量连续儿年來以惊人的速度增长。到2009年，水泥产量达到16.3亿吨，约占世界总产量的60%。每年水泥生产电耗超过1300亿千瓦时，煤耗占全国煤炭总产量的10%,年消耗石灰石约14亿吨，排放血约10亿吨以上。z水泥生产工艺分为湿法、半T法

3、和T法，基于干法生产的优点，目前正广泛使用。⑷水泥的生产过程是一个很复杂的物理化学过程，考虑到节能和减排等问题，我们必须要研究和优化生产过程。图1水泥生产流程图典型的工艺流程图如图1,含有CaC0；i.SiO“AI2O3、FezO：,等成分的生料陆续的通过预热炉、燉烧炉、回转家、冷却塔，最终形成水泥熟料。在预热炉里，原料通过來自于懒烧炉的高温气休得到预热，同时原料充分混合。在锻烧炉，牛料充分吸收热量，部分懺烧分解，热量来源一部分来自于燃料的燃烧，另外利用来自于回转需的排放气体和冷却器排放的第三级高温气体，同时锻烧炉锻烧炉的排放气体也用于预热炉的预热。在回转窑，生料

4、继续锻烧分解，部分熔融状态，同时形成C2S、GS、GA、CiAF,在这阶段，热量主要來源于燃料的燃烧,煤粉町以通过笫二级气体一起从反方向进入窑体内。高温熟料进入冷却塔，熟料得到冷却，热量可以通过气体进行回收，冋收气体分别进入冋转窑和锻烧炉循环利用，部分气体肓接排入大气中。到目前为止，对该过程很多环节的控制方法仍在研究中。计算模型很多，按照研究对彖考虑分为单个模型和集成模型，按照研究的方法來看分为热力学分析模型和微观机理模型,按模型的特点分为一维、二维和三维模型，按照研究的目的主要有生产过程的优化、工艺更新等。1预热炉预热分解炉是新型干法水泥生产线上预分解技术的重要

5、设备，其属于高温气-固多相反应器，炉内为气、固两相流动、煤粉燃烧、生料化学反应、同时伴有旋流、回流的复朵流场。不仅使传热速度人人加快，而且尽可能提高生料的分解率。1.1Mujumdar模型’Mujumdar等人，由烘干模型引入到旋风式预热炉的计算中，提出了相应的数学模型。在该模型中主要考虑能量在气-固之间的传递,不考虑石灰石的分解和煤粉的燃烧。如图2为i级预热器,假定从i-l、i级预热器出来的固体质量分别为Ms」-】、M.i,温度为Th、Ti,从i、i+1级预热器排出的气体带走的固体质量分别为叽“Ms。”，温度为Ti、T®,每级排岀气体质量为血。物料平衡方程为：在

6、上式中，z“表示i级预热器的质虽效率。i级预热器的能量平衡方程满足:M小1•cps•Tci_{+M$e」+]•cps-TciU+Mg•Cpg•：•+]=Msi-Cps-Tcj+Msei-Cps+Mg•Cp,g・Tq+hcyc-Acyi-(Tci一Tiwi)这种模型的基木原理是质量守衡和能量守衡，计算的连续性很好，输出结果便于下一阶段的计算。其缺点主要有：（1）这里所指的能最简单的指的是该系统的输入能最，如图1屮锻烧炉的尾气排入预热炉的输入能量，事实上很多预热器内部燃烧产生热；（2）这里的平衡主要指的是物理意义上的平衡，没有涉及到物料的分解等化学反应；（3）该模型对

7、预热炉的几何尺寸仅从外形进行考虑，实验证明模型的几何尺寸和进风口的设置会对结果产生影响。符号g代表空气。上式中C仲和表示固体和气体的热容量,图2预热器数学模型模型图Gasout图3锻烧炉数学模型模型图1.2CFD模型炉内的气、固两相流动的过程是流体力学范畴，可以近似假定满足理想流体理论，通过利用建立CFD（Computationalfluentdynamics）模型进行计算，假定模型满足Navier~Stokes方程叫18p4-vV2Hv:-如+£如+uv+U-如pdxdtAdxydz1dp+vV2wv:_ouy•+£ouy•+以dux+M.SuyP®ydtdx>

8、^~cz1