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《中南大学》 2007年
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熟料窑内流动、传热和煤粉燃烧的数值模拟和优化研究

马爱纯  
【摘要】: 熟料窑是烧结法生产氧化铝的重要设备,能耗很高。熟料窑内流体流动、高温传热和煤粉燃烧的数值和优化研究,对强化熟料窑运行监测,选择合适的煤粉燃烧器,优化操作制度,最终实现节能降耗有重要的意义。本研究以企业重点项目“熟料窑、燃烧器仿真与优化的研究”和“熟料窑在线仿真及智能控制系统的开发”为工程背景,针对熟料窑及其旋流式四风道煤粉燃烧器在实际运行过程中普遍存在的不足,在对国内外相关文献大量查阅的基础上,应用传热、传质、动量传输和化学反应的基础理论,通过现场热工测试、冷态模化实验和数值仿真技术,对熟料窑内气体和物料的流动,气体、物料和壁面间的高温传热和煤粉燃烧等进行了较全面的研究和模型分析。主要研究内容和结论有: (1)根据相似理论,制作了四风道煤粉燃烧器和熟料窑系统的冷态模化试验装置,并对模型窑内冷态流场进行了测量和试验研究。同时,采用国际先进的计算流体力学软件CFX4.3,并用Fortran自编程序,应用标准k-ε和RNG k-ε湍流模型对实验条件下的模型窑内流场进行了模拟。模拟结果与测试结果符合较好,速度分布规律和趋势与试验研究结果一致,达到工程预测的精度要求。且该条件下两种湍流模型计算结果基本一致。 (2)以现场一使用旋流式四风道煤粉燃烧器,长90米,直径4.5米的熟料窑为研究对象,选择标准k-ε气相湍流模型,根据测试得到的边界条件,建立了熟料窑内流动过程数学模型,对熟料窑内湍流冷射流运动规律进行了仿真研究,分析了主要参数对窑内流场,尤其是回流区的影响,为热态研究提供了很好的参考依据。 (3)应用标准k-ε气相湍流模型、Lagrangian颗粒相随机轨道模型、即混即燃气相燃烧模型、蒙特卡洛辐射模型以及混合有限差分格式、多块非均匀结构化网格划分技术与SIMPLEC算法,对熟料窑内速度场、压力场、温度场以及燃烧释热场进行了多场耦合仿真,并全面系统地研究了各种操作参数对窑内燃烧工况的定量影响规律,确定了燃烧器和熟料窑合理的操作制度和结构参数。对该熟料窑进行了系统的热工测试,计算结果与现场测试结果具有相同的规律。 (4)提出一种计算铝土矿烧结熟料窑内的热量及长度的经验计算新方法,得到了窑内不同区域物料和气体产物量、换热量,各区域边界上气流和物料温度等不连续的参数。同时,还开发出一个包括气体、物料的物理和化学反应及与窑壁之间热交换的诸多因素在内的一维传热数学模型,由该模型可计算窑内物料、烟气、窑内壁和外壁沿窑长的温度分布曲线。两种方法相得益彰,各有特点。 (5)建立熟料窑烧结带壁面和耐火层温度软测量模型,分析了不同窑皮厚度时窑筒体外壁、耐火内衬和窑皮内的温度分布。运用喷射干燥模型,分析了不同窑尾负压和物料粒径对干燥段物料和烟气的温度以及烟气水蒸汽浓度分布的影响。主要计算结果与现场测试结果基本相符。提出了合适的窑皮厚度、窑尾负压和物料粒径。 本文的研究成果已在某氧化铝厂一熟料窑上成功应用。运行实践表明,所开发的模型应用于熟料窑在线仿真及智能控制系统,可实现熟料窑的计算机辅助决策和自动控制,达到了优化操作、稳定窑况、节能降耗的目的。本成果可在同类型熟料窑上推广应用。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TK224.11

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【引证文献】
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