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水泥反转窑内部传热特性及流场剖析pdf

时间: 2023-03-22 15:46:27 |   作者: soon88顺博体育

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  摘 要 反转窑是工业出产水泥的重要设备之一。对反转窑内部气固两相流场以及焚烧 传暖流场进行数值模仿研讨,然后优化工艺参数和挑选适宜的焚烧器,不只能够提 高出产功率,还可到达节能降耗的意图,为往后反转窑的结构规划供给参阅。本文 以Ф4.8 ×74m 日产5000t 水泥反转窑作为研讨目标,以实践工况参数作为建模剖析 条件,运用数值核算的办法对窑内湍流流场传热进程以及煤粉焚烧进程进行剖析, 并对二次通风温度、旋流角以及表里风量比等操控参数进行优化。 本文剖析并挑选了湍流活动的数学模型、煤粉焚烧时的数学模型以及辐射换热 模型,根据实践工况进行煤粉焚烧进程中鸿沟条件和初始条件的设定,模仿核算得 到流场散布,并将得到的效果作为物料-窑壁-烟气传热模型的初始条件,模仿得出 反转窑各作业带的区分区域。效果与实践工况下的窑外壁根本相同,以此证明数值 核算中选用的数学模型、鸿沟条件以及初始条件是可信的。 在焚烧器给定的前提下,模仿核算实践工况下的 Ф4.8 ×74m 水泥熟料窑内部的 煤粉焚烧进程,经过改动二次通风温度、旋流角以及表里风量比等操控参数,找出 能够使煤粉焚烧功率前进、窑内温度散布合理的一组参数,即二次通风温度到达 1100K,空气过剩系数是 1.3,表里风量比为 0.8,旋流角为 30 °。按照优化的参数 界说了参加物料以及窑壁全体模型的初始条件,模仿核算出反转窑沿窑轴线方向的 各作业带区域。 要害词:反转窑,工艺参数,传暖流场,温度散布,数值剖析 I Analysis of Internal Heat Transfer Characteristics and Flow Field for Cement Rotary Kiln Abstract Rotary kiln is one of the important equipment to produce industrial cement. In order to improve the production efficiency, reduce consumption and achieve the purpose of saving energy, the rotary kiln internal gas-solid two-phase flow and combustion heat flow field is studied by numerical simulation to optimize the process parameters and to select suitable burner, the reference for the structure design of the rotary kiln can be provided. In this thesis, a cement rotary kiln with diameter of Ф4.8m, length of 74m and daily output of 5000t is taken as a research object. With the actual parameters as modeling analysis conditions, the furnace turbulence flow heat transfer process and pulverized coal combustion process are analyzed in this thesis by using the method of numerical calculation, and the control parameters such as secondary air temperature are optimized, rotational flow angle and inside & outside air volume ratio and so on. The turbulent flow mathematical model, the mathematical model of the pulverized coal combustion and radiation heat transfer model are analyzed and selected in this thesis, the boundary conditions and initial conditions of pulverized coal combustion process are set in according to the actual operating conditions, and the flow field distribution of rotary kiln can be obtained by simulative calculation, furthermore, the initial condition of material-kiln wall-flue gas heat transfer model will be use the result to simulate the division of working tape in the rotary kiln. The results the outer wall of kiln and under practical conditions are basically the same. In that way, the selected mathematical model in the numerical calculation, boundary conditions and initial conditions can be proved credible. In the premise of burner under the given, the pulverized coal combustion process of the Ф4.8×74m cement clinker kiln is simulated and calculated according to the actual working conditions. By means of changing the secondary air temperature, rotational flow Angle and inside and outside air volume ratio, a set of controlling parameters which get the pulverized coal combustion efficiency improving and the furnace temperature distribution justified can be find out, even the secondary air temperature is 1100K, the air II surplus coefficient is 1.3, the inside and outside air volume ratio is 0.8, the rotational flow angle is 30°. The initial condition of adding materials and supplies and the whole model of rotary kiln wall is defined according to the optimization of the parameters, the direction of the working tape along the rotary kiln axis is simulated and calculated. Key words: rotary kiln, operation parameters, heat flow field, temperature distribution, numerical analysis III 目 录 摘 要 I  Abstract II  第一章 序言 1  1.1 水泥工业的简介 1  1.1.1 水泥以及水泥工业的开展前史 1  1.1.2 水泥工业的特色和开展方向 2  1.2 反转窑的开展及研讨现状 2  1.2.1 反转窑的前史 2  1.2.2 反转窑的构成 4  1.2.3 反转窑内部物料的运动 5  1.3 反转窑传热进程研讨现状 6  1.3.1 国外反转窑传热研讨 8  1.3.2 国内反转窑传热研讨 8  1.4 反转窑内部物料的焚烧 9  1.4.1 水泥反转窑的物料成分及性质 9  1.4.2 反转窑内部物料焚烧进程 10  1.5 本文首要研讨内容及含义 11  第二章 反转窑体系传热特性及流场核算的理论根底 12  2.1 流场建模的理论根底 12  2.1.1 湍流活动的核算剖析 12  2.1.2 湍流活动模型剖析 13  2.1.3 湍流活动的输运方程 15  2.1.4 湍流粘性系数双方程模型 16  2.1.5 三种经典的 k-ε模型 17  2.1.6 均流方程的终究确认 18  2.2 煤粉焚烧数学模型 18  2.2.1 煤粉焚烧模型剖析 19  IV 沈阳工业大学硕士学位论文 2.2.2 煤的热解蒸腾模型 21  2.2.3 异相反响模型 22  2.2.4 辐射换热模型 23  2.3 核算办法和软件介绍 25  2.3.1 核算办法 25  2.3.2 核算软件 26  第三章 反转窑内部焚烧流场模仿剖析 29  3.1 反转窑用焚烧器 29  3.1.1 焚烧器的开展及分类 29  3.1.2 多通道焚烧器 31  3.1.3 旋流式道煤粉焚烧器作业原理 32  3.2 物理模型树立 35  3.2.1 假定条件与实体模型 35  3.2.2 网格区分 37  3.2.3 数学模型 38  3.2.4 求解的初始条件及鸿沟条件 38  3.2.5 求解办法 40  3.2.6 仿线 操控参数的影响及优化 41  3.3.1 二次通风温度 T 对焚烧的影响 41  3.3.2 表里风量比R 对焚烧的影响 44  3.3.3 过剩空气系数 n 对焚烧的影响 46  3.3.4 旋流角 α对焚烧的影响 48  3.4 小结 50  第四章 水泥反转窑内部传暖流场剖析 52  4.1 反转窑内部传热进程介绍 52  4.2 反转窑内传热传质数学模型的树立 53  4.2.1 假定条件 53  4.2.2 网格区分 53  4.2.3 参数确认以及鸿沟条件 54  4.3 反转窑内部温度散布 54  4.4 小结 56  第五章 定论 58  V 目 录 5.1 定论 58  5.2 展望 59  参阅文献 60  在学研讨效果 62  致 谢 63  VI 第一章 序言 1.1 水泥工业的简介 1.1.1 水泥以及水泥工业的开展前史 水泥是一种胶凝的修建材料,早在我国古代就现已开端运用。据史料记载,公 元前 8000 年,古人就开端运用“白灰面”粉刷寓居的窟窿,运用黄泥浆筑造土墙, 随后在公元前 7 世纪,人们发现并运用石灰作为修建材料,在西晋末年,人们组成 了一种由石灰、黏土和细砂所组成的修建材料,名为“三合土”。 国外修建材料的开展前史并没有我国长远,可是欧美国家经过对罗马砂浆的成 份不断改善,终究组成了波特兰水泥即硅酸盐水泥,然后促进了整个水泥工业及其 出产技能的大开展[1] 。与此一同,由于我国水泥工业停滞不前,不得不进口国外的 水泥,引入先进的出产技能。 水泥工业在我国的开展进程与其时我国所在的国际地位密切相关。国外水泥进 入我国是在清朝战役时期,帝国列强联合侵犯我国,逼迫清政府签定不平等条 约,这其间就有允许其在我国树立水泥厂。随后清政府鼓起“师夷长技以制夷”的 “洋务运动”,尽力开展工业,修建用的水泥需求量很大,然后促进了我国水泥工业 的开展[2] 。1914 年,第一次国际大战迸发,欧美各国因忙于各自阵线,放缓了对中 国抢掠的脚步,国内水泥工业在此阶段开展敏捷。1937 年,日本侵犯我国,许多工 业区遭到毁灭性冲击,水泥工业开展缓慢,只是在敌后区域树立了少数的小水泥厂 以满意日常设备建造。1949 年,中华人民共和国正式树立,政府大力开展根底设备 建造,各地开办了许多水泥厂,水泥工业开端步入正轨。1979 年,同志提出 改革开放,我国水泥工业逐步现代化,规划化,大型化。我国现代水泥出产工业的 开展可区分为四个阶段,别离为:立窑反转窑、湿法反转窑、日产 2000 吨干法反转 窑以及日产 5000 吨新式干法反转窑,每一个阶段都是经过购买国外的先进整套装 1 沈阳工业大学硕士学位论文 [3] 备,然后学习要害技能,完结国内水泥工业设备的国产化,规划化 。 1.1.2 水泥工业的特色和开展方向 以往的水泥出产进程分为质料组成、预烧、锻烧、冷却等多个阶段,期间总会 有能量损耗以及工业烟气污染。如今水泥出产交融了先进的科学技能以及工业立异 效果,逐步向大型化、自动化、节能降耗以及生态化挨近。 20 世纪 70 时代,由于国际各国经济建造需求,对水泥需求量日益添加,水泥 出产工业的规划逐年扩展,从日产 1000~3000 吨增至如今的 5000~8000 吨,乃至达 [4] 到 10000 吨,2004 年头,我国成为国际第二个具有万吨水泥出产线 时代,工业信息化的昌盛开展为水泥工业迈向自动化奠定了根底,经过运用数 字信息技能以及网络化办理,逐步构成了出产自动化、运送自动化,根本完结了大 型水泥出产线的长途操控和毛病诊断操作,前进了出产功率,确保了水泥产值。进 入 21 世纪的今日,跟着科学技能的前进以及人们对生态环保问题的注重,许多人开 始质疑水泥工业的能耗问题和污染问题,然后促进了水泥工业的生态化开展,呈现 了以下降锻烧能耗为意图的破碎机、球磨机、挑选机等多种配套设备,一同也促进 了对工业环保监测设备的开发研讨,大大下降了水泥出产的工业抛弃物,并将使其 能够循环再运用,确保清洁出产,削减了对工业燃料(如:煤、天然气)的耗费。 1.2 反转窑的开展及研讨现状 1.2.1 反转窑的前史 反转窑是指旋转煅烧窑(俗称旋窑),广泛用于建材、冶金、化工、环保等许多 出产职业中。反转窑的分类一般按照物料类型区分为水泥反转窑、化工冶金窑以及 石灰熟料窑三种。水泥反转窑又按照入窑的质料成分不同区分为干法和湿法水泥回 转窑,二者均用来出产工业水泥熟料。化工冶金窑是锻炼有色金属(铝、铜、锌、 锡、镍)以及黑色金属(铁)的重要环节,其意图是对原矿石、选矿剩余的精矿以 及冶金进程中的中心物等进行烧结、焙烧。石灰窑(即活性石灰窑)运用于焙烧钢铁 厂、铁合金厂用的活性石灰和轻烧白云石[5] 。在水泥出产进程中,熟料锻烧设备的 型式和规范,能够归纳表现水泥工业的技能装备水平。 2 第一章 序言 水泥反转窑是整个水泥工业的“心脏”。其作业原理为:经过焚烧器以及通风设 备输送煤粉和空气,将二者混合点着发生焚烧热能,并且传热到整个反转窑内部, 对质料进行高温煅烧,一同反转窑与地上有必定的歪斜视点并按中心轴旋转用于输 送质料,使质料均匀受热并发生化学反响到达高效产出,节省能耗的意图。 自从1885 年在英国第一台反转窑投入出产以来,水泥反转窑至今已有一百年的 前史。开端的反转窑具有最大直径 D=2m 、长度L 约 20m (长径比L/D =10:1)其 日产值在 30t~50t 之间。尔后,跟着国际工业的开展及科技的前进,水泥反转窑日 [6] 趋大型化。其标志在于反转窑自身的规范增大和单机日产值前进 。现在,国际上 最大型的反转窑,其直径已超越 7m、长度达 200m 以上(L/D

  30 ),反转窑的支承 档数有的多达 7~9 个。当今,日产值为 5000~10000t 的窑已不稀有。而煅烧办法也 不断的改善,开端选用干法出产,可是组成质料进行煅烧的时分,质料均匀性极低, 并且产出的制品料不管是从质量、产值以及安稳程度远远达不到要求。这由于如此, 湿法工艺就此诞生,湿法窑的杰出长处是出产工艺较简略,技能装备老练牢靠,设 备作业率高,对质料、燃猜中有害成份(钾、钠、氯、硫等)敏感度低,生料成份 的均匀度较高,熟料质量好,大都企业效益较好,所以此出产办法在20 世纪 30 年 代左右得以敏捷开展,缺陷是能耗高。但跟着人们对环境的维护认识日益增强和降 耗认识的不断前进,加上预热器的开发和窑外分化技能的逐步老练,新式干法技能 从头进入人们的视野,成为当时国际各国竞相开展的窑型。新式干法窑在我国已有 10~20 年出产实践经历,从全体看,少数出产线现已全面达产合格,大都则不尽人 意,不能按计划达产合格。在窑的均匀日产值、熟料热耗和年作业率三顶重要目标 中,低于规划目标 10%~30%的份额甚多。 当时我国水泥反转窑的数量许多,其出产能力增加较快(近两年超越 10%), 大中型新式干法窑的份额快速上升,对反转窑的技能改造进一步探求,全体来讲, 远景宽广,开展势头微弱,可是由于反转窑内部物料运送情况处于堆积形状,传热 以及反响区域缺乏,导致出产功率较低,耗能较大,极大约束了反转窑的开展。所 以现阶段必需求愈加透彻的研讨反转窑结构数据以及窑内部物料、烟气以及焚烧反 3 沈阳工业大学硕士学位论文 应,从中找到前进传热功率以及合理化作业参数的有用办法,终究完结前进产值、 节能降耗的意图。 1.2.2 反转窑的构成 反转窑的结构如图 1.1 所示。 图 1.1 反转窑的结构示意图 Fig.1.1 Rotary kiln structure diagram 由图 1.1 咱们能够大致了解反转窑的根本结构。由筒体、轮带、托轮、挡轮、 传动设备、密封设备以及隶属设备构成。 (1)筒体 筒体是由不同厚度钢板卷制而成的,筒体内镶砌有耐火材料,圆筒外面套装有 几道轮带,筒体成必定斜度,坐落在与轮带相对应的托轮上。 (2 )带轮 轮带是一个巩固的大钢圈套装在筒体上,支撑反转窑(包含窑砖和物料)的全 部重力;轮带的重量从 20 吨(直径 3.6m )到 100 吨(直径 5.6m )不等。 (3 )托轮 拖轮是经过轴承支撑在窑的根底上,轴承装置在水泥墩上。在作业进程中要保 持托轮及其轮带外表的清洁、托轮及轮带外表的光滑、托轮外表的光滑、托轮轴的 温度、托轮之间的平衡。 4 第一章 序言 (4 )挡轮 挡轮也被称为液压挡轮,液压挡轮是环绕纵向轴运动的滚轮装置在窑尾轮带靠 近窑头侧的平面上。其效果是及时指出窑体在托轮上的作业方位是否合理,并约束 或操控窑体轴向窜动。 (5 )传动设备 传动设备一般由主电机、主减速器、联轴器以及一对巨细齿轮组合而成,意图 是用来确保窑的旋转和调理窑的转数。主电机外侧还需求装备隶属电机和隶属减速 机,在窑呈现毛病或定时检修时,下降反转窑转速(0.1~0.2r/min )确保窑筒体温度 均匀,落幕按筒体变形 (6 )密封设备 反转窑是在负压下操作的,在筒体与窑头罩、烟室衔接的当地都存在缝隙,为 避免漏风,有必要设有密封设备,否则会漏风和漏料。大致有以下三种: 1)汽缸式密封:运用汽缸支撑密封环或许起浮环确保密封效果,缺陷是气动装 置体系杂乱,并且需求装置专用的小型空压机,独自供气,造价较高,维护作业量 大。 2 )绷簧杠杆式:首要由烟室上的固定环和一周若干块随窑反转的活动扇形板来 完结,空隙能够调到小至 0.5mm 。长处是运动件比较轻盈灵敏,便于调整,密封效 果不错。缺陷是零件有必要加工精确,装置调整细心。 3 )薄片式密封:密封要求具有足够大的冲突外表,密封性好,一同对窑的曲折 偏摆等具有很大的适应性。此外零件加工、替换和校对都较便利,也是现在反转窑 的干流密封办法。 (7 )辅佐设备 一般是指有利于反转窑表皮的构成,维护筒体烧成带的轴流风机;传感器筒体 温度传感器;用来测定窑传动力矩的电流表或功率表;用于操控液压挡轮的窑纵向 高位或低位传感器。 1.2.3 反转窑内部物料的运动 生料从窑的冷端喂入,在向热端运动的进程中煅烧老练料。物料在窑内的运动 5 沈阳工业大学硕士学位论文 情况直接影响到物料层温度的均匀性;物料的运动速度影响到物料在窑内的逗留时 间(即物料的受热时刻)和物料在窑内的填充系数(即物料的受热面积);因而也影 响到物料和热气体之间的传热。为了使反转到达高产,有必要了解窑内物料的运动情 况。如图 1.2 所示,其间 θ为物料填充角;β为窑歪斜角;α为物料休止角。 a )物料填充图 b )物料运动图 a )Material filling diagram b )Material motion diagram 图 1.2 反转窑内物料充填与运动简图 Fig.1.2 Internal material filling and kinematic sketch of rotary kiln 窑内的物料仅占有窑容积的一部分,物料颗粒在窑内的运动进程是比较杂乱的。 假定物料颗粒在窑壁上及料层内部没有滑动现象,当窑反转时,物料颗粒靠着冲突 力被窑带起,带到必定高度,即物料层外表与水平面构成的视点等于物料的天然休 止角时,则物料颗粒在重力的效果下,沿着料层外表滑落下来。 由于窑体以 3%~6%的歪斜度装置,所以物料颗粒不会落到本来的方位,而是向 窑的低端移动了一个间隔,落在一个新的点,在该新的点又从头被带到必定高度再 落到靠低端的另一点,如此不断前进。因而,能够形象地想象各个颗粒运动所经过 的旅程,就比如圆形的绷簧。实践上物料在反转窑内运动时,物料颗粒的运动是有 周期性改动的,物料颗粒或埋在料层里与反转窑一同向上运动,或到料层外表上降 落下来,可是只需在物料颗粒下降的进程中,才干沿着窑长方向移动。 1.3 反转窑传热进程研讨现状 反转窑内部的传热进程包含活动、传热及焚烧等杂乱现象和多种影响要素。很 6 第一章 序言 多情况都很难运用理论进行耦合剖析,假如树立实验室运用实验模仿剖析整个传热 进程,会耗费很多的资金以及社会资源,本钱高,效果不明显,有些因小失大、事 倍功半。反转窑内部传热进程如图 1.3 所示: 图 1.3 反转窑内部传热简图ΔQcon Fig.1.3 Internal heat transfer of rotary kiln 由煤粉焚烧发生的热能Qcoal 沿反转窑中心轴线的方向分为三个部分,其间包含 的辐射热能Qrad 和对流热能Qcon 将焚烧热传递给窑壁以及物料,而另一部分H gas 通 过窑尾排出的烟气带出窑外部。物料以及窑壁吸收的热能Qrad 和Qcon 经过出窑的熟 料带走一部分热量H cl ,终究的丢失热能Qloss 将经过窑壁传递到外部空间中。以上 各个参数彼此的联络经过方程(1.1)和(1.2)表明: Qcoal H gas Qrad Qcon (1.1) Qrad Qcon H cl Qloss (1.2) 经过上述内容咱们能够知道,反转窑内部的传热进程大致包含以下四个环节: 煤粉焚烧的放热进程、焚烧热量与反转窑壁面以及物料层的热交流、壁面与料床二 者的热交流、反转窑壁面与外部空间的热交流。这种热交流的方式包含:热对流、 热辐射、物质触摸导热。在对反转窑内部传热的剖析不能够单一进行,需求考虑以 [7] 上一切传热进程以及各个传热进程之间的彼此影响 。 7 沈阳工业大学硕士学位论文 1.3.1 国外反转窑传热研讨 能够将国外对反转窑内传热进程的研讨分为三个阶段:前期的研讨现已到达了 恰当高的水准,Imber 和 Paschkis 针对沿轴向的气固相一维平衡方程选用级数剖析 法进行了求解,得到了轴向的温度散布场,与此一同也对料床内部的径向传热进行 了简略讨论,并得出了使物料运动维持在滚落方式下即可完结物料颗粒的杰出混合 效应,并且能够使料床温度上升的一同,所需求的窑体长度完结最小化[8] 。在风险 抛弃物焚烧炉的规划核算中,Kiang 等屡次引用了 Imber 的研讨效果。尔后,研讨 [9] 作业中针对气固相、气相窑内壁、料床窑内壁以及窑外壁传热系数的有 Sass 等人 。 随后前苏联的研讨人员曾提出一种经历办法用来核算反转窑热力特性以及窑内 的气流与物料一维温度散布。但现如今,研讨人员遍及选用传热模型来描绘反转窑 内部传热工况以及温度散布。Boateng 和 Barrlzsl 首要树立了沿反转窑轴向的一维传 热数学模型以及窑横截面的二维数学模型,并且在假定温度稳定条件下得出窑内料 床的温度散布情况,指出了反转窑转速与温度改动二者的联络。虽然这样的传热数 学模型只是剖析了反转窑内部热工特性的部分情况,但这现已是对往后窑内传热三 维数学模型的树立供给了思路[10] 。 近几年来的传热研讨首要是树立反转窑内部物料反响、烟气与物料传热、料床 与窑壁传热进程的全体耦合模型,考虑彼此之间的影响以及全体传热。例如美国 Utah 大学的Veranth et al 和路易斯安娜州的Jackwayet al 对大型的废物处理焚烧炉建 立全体耦合模型,其间考虑了物料焚烧和烟气传热。Watkinsonetal 则针对石灰反转 窑树立了三维焚烧传热进程的数学模型[11-13] 。 1.3.2 国内反转窑传热研讨 国内关于反转窑的研讨大多是反转窑结构的剖析,而反转窑内部焚烧、传热传 质以及流场剖析的研讨并不多。邱夏陶运用辐射系数的办法树立了窑内传暖流场的 一维数学模型,模型中假定窑壁和物料都是灰体、反转窑各物料反响带内温度均匀 且疏忽了窑壁与物料焚烧进程中发生的热量与窑壁之间的热传递,这种树立模型的 办法简略、便于核算,但与实践工况差错较大。徐德龙等人对水泥反转窑的预热带 煅烧进程树立了一维的传热数学模型,剖析其内部温度场散布情况以及受改动规则 8 第一章 序言 [14] 。中南大学马爱纯博士对氧化铝反转窑内部烟气、物料、窑壁三者之间的热传递 以及彼此辐射进行了归纳考虑,树立了氧化铝熟料窑的一维传热数学模型。池涌则 针对用于抛弃轮胎处理的反转窑树立了热反响数学模型,与以往研讨不同的是该模 型耦合剖析了烟气活动和烟气、窑壁间的热传递,能够得到窑内热分化情况下温度 散布情况以及质料与各产品的改动规则。叶旭初等人运用区段法树立了水泥反转窑 内部焚烧进程的传热传质模型,并且运用到出产实践傍边。 以上关于反转窑内部传热传质的研讨根本都是假定烟气、物料以及反转窑壁面 在传热进程中的温度稳定,模仿出一维空间情况下温度云图,虽然许多研讨人员建 立的是三维空间下的传热数学方程,但对全体情况下各个条件参数之间的影响剖析 考虑缺乏,并且还疏忽了窑内物料与氧化剂之间的焚烧反响。 1.4 反转窑内部物料的焚烧 1.4.1 水泥反转窑的物料成分及性质 进入反转窑的水泥是由石灰石和粘土、铁质质料组成,按恰当份额配制成生料, 烧至部分或悉数熔融,并经冷却而取得的半制品。在水泥工业中,最常用的硅酸盐 水泥首要化学成分为氧化钙、二氧化硅和少数的氧化铝和氧化铁。首要矿藏组成为 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。硅酸盐水泥熟料加适量石膏一起磨 细后,即成硅酸盐水泥[15] 。以下均由其化学式表明: 熟猜中 CaO、SiO 、Al O 和 Fe O 不是以独自的氧化物存在的,而是两种或两 2 2 3 2 3 种以上的氧化物经高温化学反响生成的多种矿藏的集合体,首要有:硅酸三钙 3CaO·SiO ; 硅 酸 二 钙 2CaO·SiO ; 铝 酸 三 钙 3CaO·Al O ; 铁 铝 酸 四 钙 2 2 2 3 4CaO·Al O ·Fe O 。一般熟猜中 3CaO·SiO 和 2CaO·SiO 含量约占 75% 左右, 2 3 2 3 2 2 3CaO·Al O 和 4CaO·Al O ·Fe O 的理论含量约占 22%左右。还有少数的铝酸一钙 2 3 2 3 2 3 (CaO·Al O )和铝酸二钙(2CaO·Al O )。 2 3 2 3 水泥的性质首要取决于其矿藏组成,铝酸一钙具有很高的水硬活性凝聚虽不甚 快但硬化敏捷(硬化时刻不超越一天),是水泥的强度特别是前期强度的首要来历。 铝酸二钙水化硬化较慢,前期强度较低而后期强度较高。铝酸三钙含量过高,水化 9 沈阳工业大学硕士学位论文 反响加速,会使混凝土塌损过快,简单构成假凝,严重影响混凝土耐久性。水泥中 含 Fe2O3 愈高,其耐火性愈低。 1.4.2 反转窑内部物料焚烧进程 反转窑物料的焚烧进程一般是由生料的预烧(也称作预分化)、熟料的烧成以 及熟料的冷却所组成,具体步骤按照喂料端(窑尾)至出料端(窑头): (1)水分蒸腾(枯燥) 经均化的生料所含自在水分随温度的升高而逐步蒸腾,当温度升高至 100~150ºC 时,生猜中自在水分悉数被扫除。湿法出产中,料浆可达 32~40%,故此 枯燥进程对产值、质量及热耗影响极大。 (2 )粘土质质料脱水(脱水) 生料温度升至 450ºC 时,高岭土 Al O ·2SiO ·2H O 脱去化学结合水。 在 2 3 2 2 900°~950ºC 时,无定形物质又转变为晶体,一同放出热量。 (3 )碳酸盐分化(预烧) 碳酸钙与碳酸镁在 600ºC 都开端分化,碳酸镁在 750ºC 时分化即剧烈进行,而 碳酸钙约在 900ºC 时快速分化。 (4 )固相反响 水泥熟猜中的首要矿藏在 800~1300ºC 时能够由固相物质彼此反响而生成。 800~900ºC 时,CaO 与 Al O 、Fe O 反响,生成 CaO·Al O 、CaO·Fe O ;900~1100ºC 2 3 2 3 2 3 2 3 时,生成 12CaO·7Al O 、2CaO·Fe O 、2CaO·SiO ;1100~1300ºC 时,生成 3CaO·Al O 、 2 3 2 3 2 2 3 4CaO·Al O ·Fe O 。以上反响进行时放出必定热量,物料自身温度上升很快。 2 3 2 3 (5 )硅酸三钙(3CaO·SiO )的构成和烧成反响 2 硅酸三钙要在液相中才干很多构成。当温度升高到近 1300ºC 时,3CaO·Al O 、 2 3 4CaO·Al O ·Fe O 、R O (矿藏的氧化物)等熔剂矿藏变成液相,2CaO·SiO 与 CaO 2 3 2 3 2 2 溶解在高温液相中,彼此反响生成 3CaO·SiO ;3CaO·SiO 的生成速度与烧成温度和 2 2 反响时刻有关。其生成温度规模一般为 1300~1450~1300ºC。熟料烧成后,温度开端 下降,3CaO·SiO2 构成速度减慢直至液相凝结。 (6 )熟料的冷却进程 10 第一章 序言 在冷却进程中,将有部分熔剂矿藏构成晶体分出,另一部分来不及析晶而呈玻 璃态存在。3CaO·SiO2 在 1250ºC 时简单分化,所以要求在 1300ºC 以下熟料要快冷, 使 3CaO·SiO2 来不及分化,跳过 1250ºC 往后,C3S 就比较安稳了。 2CaO·SiO 在低于 500ºC 时,由 β-2CaO·SiO 转变为 γ-2CaO·SiO ,密度削减而 2 2 2 使体积增大 10%左右,然后使熟料块变成粉末状。粉化后的 γ-2CaO·SiO2 与水反响 时,几乎没有水硬性,因而在低于 500ºC 温度段时应急冷,使其来不及转化。 1.5 本文首要研讨内容及含义 本文经过理论剖析反转窑工况下的实践模型和参数,树立了焚烧模型、传热模 型以及湍流模型,运用仿真软件对反转窑实体进行建模,在剖析进程中参加了作业 情况下物料、窑壁、以及烟气彼此的效果,并耦合进行剖析,为反转窑的操作参数 优化供给一种有用途径。 本文的首要研讨内容有: (1)用 ANSYS-CFX 软件对反转窑作业时的参数进行仿真,为接下来的剖析 拟定一个规范。 (2 )用 ANSYS-CFX 软件表述出反转窑内部烟气运动情况,经过树立烟气耦 合模型研讨空气过剩系数、二次风温度等一系列作业参数。 (3 )运用之前剖析的烟气耦合模型作为鸿沟条件树立全体的反转窑模型,该模 型中参加了物料以及窑壁,对该模型进行传热进程剖析,一同核算出反转窑外壁在 这种情况下温度差异情况。 本课题运用流体力学、工程热力学以及部分物理化学的理论知识,研讨并树立 了模型方程,针对高温情况下焚烧反响的能量传递,合理简化并仿真出反转窑内部 火焰的情况,经过改动空气过剩系数、二次风温度、表里风量比等操作参数调查火 焰的温度散布,得到窑壁温度改动曲线,在了解反转窑内部实践作业情况的一同, 为往后反转窑操作参数的合理化供给理论依据,并且给反转窑节能降耗的完结供给 合理的参阅。 11 第二章 反转窑体系传热特性及流场核算的理 论根底 2.1 流场建模的理论根底 在流体力学中描绘运动的观念和办法有两种,即拉各朗日法和欧拉法。拉各朗 日法,将流体质点视为要害所在,其间心思想是尽量将每个流体质点从零时刻运动 开端直至运动完毕的整个进程描绘出来,也便是说模仿出一切质点的方位跟着时刻 改动的改动情况,一旦运动进程中的恣意质点的运动情况被把握,则由质点组成的 流体运动情况就会被描绘出来。可是在反转窑傍边想要知道每个质点的运动进程或 者运动规则很难完结。 欧拉办法的着眼点不是流体质点而是空间点。设法在空间中的每一点上描绘出 流体运动随时刻的改动情况。假如,每一空间点的运动轨道和情况都能够了解,那 么整个流体的运动情况也就能够把握[16] 。相较拉格朗日的办法,欧拉法在反转窑的 流场模型更易完结。 人们把在流场中流体的运动规则区分为层流、湍流以及射流。在本文研讨的内 容中,流场的运动归于湍流,即黏性流体质点彼此掺混,部分压强、速度等随时刻 和空间有随机脉动的活动。咱们判别湍流是定常还对错定常,看的是他的时均速度, 而湍流的脉动周期比定常的时刻尺度小的多,因而对错定常活动,咱们能够运用统 计理论加以剖析,核算理论告知咱们,假如在一个时刻段内剖析恣意进程,只需这 个时刻段充分长,则经过核算剖析得出的参数均匀值便是有必定规则的,并且湍流 变量的核算均匀值能够是与时刻无关的,因而从核算均匀视点看,湍流能够是“定 常”的[17] 。 2.1.1 湍流活动的核算剖析 在湍流运动傍边,空间点上的瞬时速度矢量三个方向x 、y 、z 别离用u 、v 、 12 第二章 反转窑体系传热特性及流场核算的理论根底 w 表明,上标带有’的变量表明脉动值,那么空间上点的瞬态速度能够表明为:    , , u u u v v v w w w     p p p ,T T T  (2.1 )     ,     c c c  式(2.1 )中,p 、T 、 、c 别离代表压力、温度、密度和比热的瞬时值。 2.1.2 湍流活动模型剖析 在直角坐标系下,不行紧缩流的活动可用下列方程表明。 (1)接连方程: p    (pu ) 0 (2.2 ) i t x j u x 式(2.2 )中, 为流体密度,t 为时刻, 取值为 1,2 ,3, 为速度矢量, 为坐  i 标。 (2 )动量方程: p    (pu )  (pu u ) p F t i x i j x ij i j j (2.3 )  ui p  uj 2  uj ( )   ( )  ( ) Fi x x x x x 3 x x j j i j i i j 式(2.3 )中,代表粘性系数, 代表外表力矢量,包含静压力和流体粘性应力。 p 动量方程中F 是效果于单位体积流体的体积力。 i (3 )能量方程: pH  p     (pu H ) ( H )  S (2.4 ) t x j x h x t h j j j 式(2.4 )中,H 代表总焓,表达式如下: 1 2 T   Tref   1 H h  u Cp (T )dT  Cp (T )dT  u u (2.5 )   2 0 0 2 13 沈阳工业大学硕士学位论文 h 式(2.5 )中, 为静态热焓,S h 为容积发热系数,h 为热交流系数,Tref 为参阅温 度,Cp 表明等压热容值。 (4 )质量方程: pm     s  (pu m ) ( m ) R (2.6 ) j s s s s t x x x j j j 式(2.6 )中, 代表组分 S 的交流常数,R 表明单位体积下的 S 经过化学改动带 s s 来的增加率或许是耗费率。 上文四个方程是通用的公式,其间的变量用瞬态表明,可是直接运用于此类湍 流运动方式是很不精确的,咱们要描绘所需求的湍流均匀流场,就要创立该流场的 微分方程,把以上方程中的速度、压力、时刻、比热等值运用核算均匀办法分化成 均匀值与脉动值,其间密度关于这种封闭体系的影响咱们并不知晓,特别在此焚烧 且温度跨度大的环境下,密度改动的规模也很大,对此的研讨也没有很好的打破, 可是此前研讨人员假定体系为密度稳定的情况下树立的模型,对焚烧问题的剖析却 效果显著,所以对密度在本文中也设定为稳定值,并且为了核算便利,本文疏忽了 运用核算均匀法发生的各交流系数脉动值及其相关发生的影响。则上述接连方程、 动量方程、能量方程和质量方程中的瞬态物理变量经过时刻均匀处理之后,湍流方 程能够表明成: (1)接连方程: p    (p u ) 0 (2.7 ) i t x j (2 )动量方程:   p  ui uj   (2.8 ) (p u )  (p u u )   [u(  ) p u u ] F t i x i j x x x x i j i j i j j i (3 )能量方程: 14 第二章 反转窑体系传热特性及流场核算的理论根底 pH        (p u H ) ( H p u H ) S (2.9 ) j h j h t x x x     j j j (4 )质量方程: p ms       (p u m ) ( m p u m ) R (2.10 ) t x j s x s x s j s S j j j 对以上方程经兼并简化成一个表达式: p        ( ) (   )  pu j  p uj s S (2.11 )     t x x x j j j   S 式(2.11 )中,为通用因变量,p u  为输运系数,  是源项。 j s 2.1.3 湍流活动的输运方程 2.1.2 节中描绘的湍流操控方程组中的输运项p uu 是不知道的,所以方程组是处于 开环情况,所以咱们需求另一个模型把输运项和时刻均匀量结合在一同,让其成为 闭环体系[18] 。式(2.11 )中的若表明为速度重量,则p uu 能够表征为湍流应力, 即雷诺应力。 咱们运用 Boussinesq 提出的把雷诺应力和时刻均匀速度梯度向量结合模型能够 完结闭环体系的树立。 u     1 (2.12 ) p u u t 1 2 t x 2   ui uj  p u u  (  ) (2.13 ) , t ij i j t x x j i 将式(2.13 )代入式(2.11 )中,可得:    u u p  i j (p u )  (p u u )   [ (  )] F (2.14 ) t i x i j x x eff x x i j i j j i 15 沈阳工业大学硕士学位论文 式(2.14 )中 表明有用粘性系数,   ;表明分子之间的粘性系数; eff eff t t 表明湍流粘性系数。 同理: u H     t   (2.15 ) p u H j    x H  j  T u T   t p u C T ( ) ( ) (2.16 ) j p t x  x j T j m u m   ( s ) t ( s ) (2.17 ) p u m D p j s t x  x j s j 通用式为:     (p )  (pu j ) ( ) S (2.18 ) t x x x j j j 由以上咱们能够知道对雷诺应力的判别就变成核算湍流粘性系数上面,那么 湍流粘性系数模型就需求树立,理论上别离有:零方程模型、单方程模型和常常用 到的双方程 k-ε模型[19] 。下节介绍怎么确认湍流粘性系数。 2.1.4 湍流粘性系数双方程模型 选用 k-ε模型剖析湍流对流换热问题时,操控方程包含接连性方程、动量方程、 能量方程及 k-ε方程。 规范的 k-ε 湍流模型运用起来比较简洁,关于处理工程类的问题运用较为多, 例如:平面壁鸿沟层、自在鸿沟剪切流、零浮力射流以及无旋或许弱旋的回流方式 上相对不杂乱的紊流运动区域,但关于强旋流回流以及曲面内壁鸿沟区域等相对繁 琐的紊流运动情况描绘并不抱负。其要害之处就在于规范的 k-ε方程按照 Boussinesq 方程推导得出,界说紊流粘性系数的性质为各向同性,可是较为繁琐的紊流以及涡 旋的粘性系数性质遍及为各向异性,其次,不同的管道形状都会很大程度上影响流 动情况,这其间的流场改动要素没有考虑在内。为了使规范 k-ε模型运用领域扩展, 16 第二章 反转窑体系传热特性及流场核算的理论根底 许多研讨人员开端进行模型的批改,如考虑非平衡流、旋转与曲率、可紧缩性以及 非线性等要素,呈现了三种经典 k-ε模型[20] 。 2.1.5 三种经典的 k-ε 模型 (1)Standard k-ε模型 Standard k-ε模型是由 Launder 和 Spalding 树立的,其原理是:经过联立湍活动 能方程(k 方程)以及湍流耗散率方程(ε 方程),求得参数 k 和 ε,再代入操控方 程中求解湍流粘度系数,终究运用 Boussinesq 假定核算出雷诺应力的值。该模型具 有安稳性强、核算精确度高级长处,在处理湍流问题时常常选用这个模型。可是该 模型并不适用于非均匀的湍流问题中,由于其设定的湍流流场是均匀并且各向同性, 特别在剖析旋流流场的情况下,运用该模型得出的效果并不精确且会呈现很大的误 差。根据这一点,学者们先后提出了 RNG k-ε模型和 Realizable k-ε模型来处理非均 匀湍流流场的问题。 (2 )RNG

  GB T 32610-2016_日常防护型口罩技能规范_高清版_可检索.pdf