煅燒水泥熟料用大顆粒流化床的動力學(xué)特性研究.pdf

1、本論文重點對大顆粒流化床的動力學(xué)特性及床層的穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，旨在通過深入了解大顆粒流態(tài)化現(xiàn)象，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型流態(tài)化水泥熟料煅燒裝置。本研究的要點及所獲得的主要成果如下： ■大顆粒流化床動力學(xué)的實驗研究 借助高速攝影的圖片分析手段，對二維大顆粒流化床中氣泡的行為進(jìn)行了觀測。首次提出在大顆粒流化床中，氣泡成長受四種機(jī)制控制：顆粒排開機(jī)制、顆粒淋落機(jī)制、氣泡聚并機(jī)制、滲流機(jī)制；在氣泡的上升過程中，氣泡的直

2、徑在不斷長大，床內(nèi)很容易發(fā)生節(jié)涌；氣泡在床面破裂時，顆粒向上的濺射速率和高度均很大。 通過對三維床的研究，發(fā)現(xiàn)大顆粒三維流化床的臨界流化風(fēng)速低于二維床，并且這種趨勢隨顆粒尺寸的增加而愈發(fā)明顯；當(dāng)流化顆粒尺寸降低、粒度分布變寬時，大顆粒流化床的節(jié)涌現(xiàn)象得到明顯的改善，表現(xiàn)出較好的流化質(zhì)量。 本研究推薦平均粒徑為3.4mm、具有較寬粒度分布物料作為水泥熟料煅燒過程中料球的幾何參數(shù)。 以該粒度物料為重點考察對象，對大顆

3、粒流化床開展了壓強(qiáng)脈動信號的時頻分析。研究表明：隨流化數(shù)的增加，壓強(qiáng)脈動方差值會有明顯地增加；首次發(fā)現(xiàn)可以通過觀察壓強(qiáng)脈動方差變化的規(guī)律，得到三維流化床中氣泡上升過程的運動信息；依據(jù)壓強(qiáng)脈動信號的頻域分析發(fā)現(xiàn)三維床中床高100mm處為原始?xì)馀莸男纬蓞^(qū)域；隨流化數(shù)的增加，在床的大部分區(qū)域，壓強(qiáng)脈動主頻隨之增加，表明氣泡上升速度增加。 上述研究表明：控制床的高徑比為1、流化數(shù)為2.06以下，能有效地緩解大顆粒流化床的過分膨脹及節(jié)涌現(xiàn)

4、象的發(fā)生，提高流化床的流化穩(wěn)定性。 ■大顆粒流化床的數(shù)值仿真研究 氣相運動的數(shù)學(xué)描述采用了Euler的方法；而對顆粒相的描述則采用了Lagrange方法。顆粒之間的碰撞模擬采用了軟球模型。利用Fortran語言自行編制了整個大顆粒流化床數(shù)值仿真計算程序。利用SIMPLE算法對氣相流場進(jìn)行了數(shù)值求解。同時由于采用了獨特的顆粒與流體雙向耦合技術(shù)并首次使用了精確的空隙率計算方法，使得計算結(jié)果的準(zhǔn)確性大大提高。程序的有效性驗證證

5、明了所開發(fā)的大顆粒流化床數(shù)值仿真程序能夠可靠的指導(dǎo)研究工作。 在三種流化數(shù)下，相繼開展了內(nèi)含11000個顆粒的大顆粒流化床在室溫和高溫條件下的數(shù)值仿真試驗。研究表明： ①提高大顆粒流化床的流化數(shù)，可加速流化床內(nèi)的顆?；旌?； ②由操作流化數(shù)與床層膨脹比關(guān)系可知，大顆粒流化床可操作流化數(shù)的范圍較窄； ③床內(nèi)形成氣泡時，向上流動的氣體將發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)向，從乳化相的高壓區(qū)流向氣泡下部的低壓區(qū)進(jìn)入氣泡，并從氣泡項部的

6、高壓區(qū)流出進(jìn)入乳化相的低壓區(qū)，氣體流速基本保持不變。氣泡內(nèi)部存在一定的壓力梯度。當(dāng)流化數(shù)提高后，流入氣泡的氣體量及氣體速度均明顯增加，但氣泡兩側(cè)的氣體過流量則相對減少，甚至在流化數(shù)為1.67時，部分區(qū)域不存在氣體的過流。此時流化氣體大量以氣泡形式“短路”通過床層，降低了顆粒與流體的瞬間接觸效率； ④隨流化數(shù)的提高，床內(nèi)大顆粒的循環(huán)運動程度迅速減少，氣體與顆粒主要在y方向上進(jìn)行動量傳遞，使得床面附近顆粒群擁有了很高的彈射速率，是導(dǎo)

7、致大顆粒流化床操作范圍相對較窄的根本原因； ⑤大顆粒流化床氣泡內(nèi)存在著明顯的顆粒淋落現(xiàn)象，在一定程度上有助于床內(nèi)顆粒與熱氣流之間的換熱； ⑥所開展的不同溫度尤其是高溫條件下的大顆粒流化床數(shù)值仿真研究表明：大顆粒流化床的臨界流化風(fēng)速隨溫度的升高呈現(xiàn)較為復(fù)雜的變化規(guī)律。但臨界雷諾數(shù)則隨溫度的升高而減小，至高溫區(qū)后降低程度才有所放緩。1700K時臨界流化風(fēng)速由300K時的1.25m/s升至1.3m/s左右。通過數(shù)據(jù)擬合，得到了

8、粒徑為3mm顆粒的流化床臨界流化風(fēng)速與溫度的關(guān)聯(lián)式； ⑦在相同的流化數(shù)下，高溫流化床運行相對平穩(wěn)，顆粒的混合程度相對減弱；顆粒向上揚起的高度有所降低，床層的膨脹比明顯降低； ⑧通過對1700K高溫流化床中顆粒受力分析表明，顆粒受到的氣體曳力是床層產(chǎn)生宏觀運動的原始外力。隨流化數(shù)的提高，床內(nèi)顆粒的碰撞越來越激烈。發(fā)現(xiàn)：當(dāng)流化數(shù)超過1.33后，床內(nèi)部分區(qū)域內(nèi)部分顆粒的運動受碰撞力的影響逐漸超過了顆粒自身重力和氣體曳力的作用。

9、當(dāng)流化數(shù)為1.67時，氣泡兩側(cè)與床壁面之間的乳化相區(qū)域中，顆粒將主要受到碰撞力影響。在該流化數(shù)下煅燒水泥料球，將有可能增加料球的破碎率； ⑨在1700K的大顆粒流化床中，乳化相大部分區(qū)域的顆粒群仍基本保持類似堆積床的填充形式?！皻馀葸吔邕^渡區(qū)”范圍隨流化數(shù)的增加是乳化相平均空隙率提高的根本原因； ⑩Nu數(shù)的分布云圖證明，大顆粒流化床中各區(qū)域具有良好一致的對流換熱特性，在流化數(shù)為1.33-1.67范圍時，Nu數(shù)約在4-6之

10、間。 綜上所述，高溫條件下的操作流化數(shù)范圍可適當(dāng)放寬，但由于在流化數(shù)為1.67時仍然可以在床內(nèi)發(fā)現(xiàn)尺寸巨大的氣泡，并且顆粒將受到較高的碰撞力，所以流化數(shù)仍不易太高。通過高溫仿真試驗推薦流化數(shù)范圍在1.33-1.67之間。 ■流態(tài)化裝置的熱態(tài)模型試驗 以大顆粒流化床動力學(xué)特性的研究結(jié)果為指導(dǎo)，首次開發(fā)成功了運行穩(wěn)定的大顆粒流化床水泥熟料煅燒裝置。熱態(tài)模型試驗表明：該工藝流程構(gòu)思基本合理，整個系統(tǒng)能夠較平穩(wěn)的運行。適

11、宜的流化床起始建床溫度約為600℃左右，靜床層高度為300mm左右。為確保流化床系統(tǒng)不因風(fēng)量波動等問題出現(xiàn)“死床”現(xiàn)象，在1400℃左右時，流化床單體穩(wěn)定運行的操作流化數(shù)控制在約1.5-2.0之間，略高于高溫仿真試驗的推薦范圍，但仍符合實驗室三維床的研究結(jié)果；床層壓降約在3500～5000Pa；系統(tǒng)零壓面位置控制在距流化床底部300mm左右的范圍內(nèi)。本裝置煅燒出的熟料質(zhì)量普遍優(yōu)于普通立窯，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于52.5號水泥的規(guī)定，且具有