基于一维炉对分解炉内流动、分解与燃烧的数值模拟

【摘要】水泥预分解技术代表了目前水泥生产工艺的先进水平，而分解炉作为煤粉燃烧、生料分解和热量传递的场所，是水泥预分解技术的核心设备。本文基于分解炉特征，设计和搭建了适用于研究碳酸钙高温悬浮态分解特性的装置—一维炉，并对其反应动力学展开了实验研究；在此基础上，应用Fluent软件对一维炉内流场和碳酸钙分解进行了数值模拟，并基于模拟结果对碳酸钙分解动力学参数进行了修正；同时，获得了碳酸钙高温悬浮态反应最大可能为反应速率指数；在上述工作的基础上，对某生产用TSD分解炉进行了流动、分解与燃烧的数值模拟，结果具有较好的准确性。论文主要结论如下：（1）结合水泥行业特点，设计了适用于研究高温悬浮态下碳酸钙分解动力学的装置——一维炉，其特征如下：规格（φ90×3600）mm，最高温度1400℃，采用微型振动给料机、数字式质量流量控制器等，保证了喂料的精确性和均匀性，实现了物料在一维炉内停留时间的准确可控。（2）应用一维炉研究了高温悬浮态下碳酸钙的分解动力学，结果表明：高温悬浮态碳酸钙分解反应机理最大可能为单步随机成核与生长，其表观活化能Ea为67.24kJ/mol，指前因子A为65.51s-1。在此基础上，对一维炉内碳酸钙分解反应进行了数值模拟，结果表明模拟分解率远较实验值小。参考模拟所得温度分布云图和颗粒停留时间，对碳酸钙分解动力学参数进行了修正，修正后的指前因子A为61.87s-1，表观活化能Ea为56.18kJ/mol。模拟结果表明，修正后的碳酸钙分解动力学更符合实际情况。（3）基于一维炉内流动与分解的模拟结果，在默认反应速率指数的基础上，参考幂函数的特征，设定了不同反应速率指数，并应用一维炉对其进行快速模拟分析，确定了碳酸钙高温悬浮态下最大可能反应速率指数为：CaCO3为0.9，CO2为0.1，CaO为0。（4）在上述工作基础上，以某生产用TSD分解炉为对象，进行了流动、分解与燃烧的数值模拟，结果如下：该分解炉具有喷腾、旋转等组合流场，预燃室气流旋转运动强烈，主炉内二次喷腾效果显著；生料和煤粉在分解炉内充满度较好，生料颗粒的停留时间为4.6~10.5s，而煤粉颗粒为4.5~6.7s；煤粉燃烧反应主要在预燃室完成；出预燃室碳酸钙分解率为67.2%，出分解炉碳酸钙分解率为86.4%，与实际生产情况较为接近。
【作者】王俊杰；
【导师】颜碧兰；汪澜；
【作者基本信息】中国建筑材料科学研究总院，材料学，2014，硕士
【关键词】一维炉；碳酸钙分解；动力学；分解炉；数值模拟；

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