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计算机模拟仿真技术在水泥分解炉中的应用研究

段国平  
【摘要】: 本文研究为国家高技术研究(863计划)项目“低环境负荷型水泥及胶凝材料关键制备技术”(No.2002AA335050)的子课题“高原型新型干法水泥生产工艺特性的研究与应用”中的数值模拟部分。 我国水泥工业存在的三大突出问题是:能源及资源消耗大、环境污染严重和水泥工艺落后。在水泥工业中如何改进生产设备、发展新的生产工艺是当前水泥行业的迫切任务。分解炉是新型干法水泥生产线上预分解技术的核心设备。水泥分解炉性能直接关系到水泥产量、资源、能源消耗、环境负荷等问题。因此如何对分解炉进行优化设计十分重要。 本文针对实际生产用的分解炉,运用CFD通用软件FLUENT6.1进行详尽的数值模拟,旨在为新型分解一预烧系统的设计和改造提供新的方法。另外,数值模拟结果还可以为生产中的分解炉运行调控提供详尽的监控参数,为安全、高效生产提供信息。本文研究在实用和经济上均具有十分重要的意义。 论文的主要内容包括: (1)简述了我国水泥工业的现状与发展,在总结与分析流体流动模拟国内外研究现状的基础上,分析了对分解炉进行数值模拟的意义。 (2)详细介绍了运用GAMBIT进行分解炉精确几何建模、网格划分及如何指定分解炉的边界及其计算区域类型。 (3)根据实际生产控制参数对分解炉进行了详尽数值模拟,并对其数值模拟结果结合生产实际情况进行了对比分析。 (4)针对模拟所出现的问题对分解炉结构进行优化设计,提出三种设计方案,对它们在相同的边界条件设定的情况下进行数值模拟,并对数值模拟结果进行了详细的分析对比。对分解炉的结构设计得出了有益的结论和建议。 论文的主要创新点有: (1)在分解炉数值模拟的精确建模方面取得了突破性进展,减少近似建模处理对数值模拟结果的负面影响。 (2)在FLUENT中成功输入了Al_2O_3、Fe_2O_3和SiO_2等各化学成份的物理化学性质,避免了以往对生料成份中进行近似处理的弊端,有效地提高了数值模拟的计算精确度。 (3)首次并成功采用涡耗散模型模拟煤粉燃烧和涡耗散概念(EDC)模型去模拟CaCO_3分解。数值模拟结果明显可以看到这两个反应在分解炉内的详细反应过程。模拟结果十分吻合实际生产情况。这也验证了数值模拟在水泥行业应用的可行性,为今后运用CFD技术去指导分解炉设计提供了理论依据。 (4)首次尝试应用CFD技术针对模拟反映出来的问题提出三种分解炉结构改进方案,并对它们进行了比较分析。


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