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含碳水泥生料球预热预分解过程的数值研究

作　者: 酒少武
导　师: 徐德龙；肖国先
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 材料学
关键词: 含碳生料球熟料煅烧石灰石分解非稳态传热数值模拟
分类号: TQ172
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 75次
引　用: 1次
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内容摘要

西安建筑科技大学粉体工程研究所自上世纪90年代以来一直致力于大颗粒流化床的研究,以求开发出一种新型的水泥熟料煅烧工艺。本论文研究了水泥生料球中的传热、传质机理,所采用的料球是由石灰石、粘土和焦碳粉料混合制成的黑料球,直径为5-6mm。用数值模拟研究料球内的传热和分解过程。建立非稳态传热模型来描述碳的燃烧和料球内的传热过程,并建立了质量传递方程来描述石灰石分解和气体扩散过程,两个方程中都包括与热量和质量传递现象耦合的源项,并认为生料球是由粒径为30-60微米的石灰石、焦碳和粘土球形颗粒组成的,各种组分在料球中分布均匀。用Fortran95语言编写计算程序求解方程,并模拟了料球在不同条件下的分解过程。采用石灰石分解率和焦碳燃烧率为过程特征指标,分析各种因素对料球分解的影响规律。结果表明:对于粒径为5mm,含碳量为5%的料球,在1273K的环境温度下石灰石完全分解需要3.4分钟,焦碳完全燃烧需要11.5分钟。温度、含碳量、环境气流速度和氧气浓度都是影响分解的重要因素,其中温度的影响最为显著。在1173K以上温度时,可忽略CO₂的影响。在30-60μm粒径范围内,石灰石细度和焦碳细度对分解的影响较小。

全文目录

1 绪论  11-18
  1.1 水泥生产工艺过程的新技术和新方法  11-12
  1.2 流态化煅烧水泥熟料技术的研究现状  12-13
    1.2.1 国外关于流态化煅烧水泥技术的研究现状  12
    1.2.2 国内关于流态化煅烧水泥技术的研究现状  12-13
  1.3 课题的研究背景  13-14
  1.4 课题的研究内容、研究目的和意义  14-15
  1.5 本课题的研究现状  15-17
  1.6 课题的研究思路和研究方法  17-18
2 气-固反应系统的动力学模型研究  18-39
  2.1 含碳水泥生料球煅烧的两个阶段  18
  2.2 含碳水泥生料球预热预分解的基本过程  18
  2.3 气-固反应系统的宏观动力学模型  18-21
    2.3.1 界面反应模型  19
    2.3.2 区域反应模型  19-20
    2.3.3 微粒模型  20
    2.3.4 孔隙模型  20-21
  2.4 石灰石分解的动力学模型  21-29
    2.4.1 石灰石分解的基本过程  21
    2.4.2 石灰石分解动力学模型  21-25
    2.4.3 不同因素对石灰石分解的影响  25-29
  2.5 焦碳燃烧的动力学模型  29-33
    2.5.1 焦碳燃烧的基本过程  29
    2.5.2 焦碳燃烧化学反应  29-31
    2.5.3 焦碳燃烧动力学模型  31-32
    2.5.4 焦碳燃烧的控制过程工况  32-33
  2.6 固相反应  33-37
    2.6.1 扩散控制的固相反应动力学模型  34-36
    2.6.2 CaO和SiO_2固相反应的速率方程  36-37
  2.7 含碳水泥生料球预热预分解的建模思路  37-39
3 含碳水泥生料球分解模型的建立  39-62
  3.1 数学模型的建立  39-49
    3.1.1 模型的基本假设  39-40
    3.1.2 基本反应  40
    3.1.3 反应速率方程  40-42
    3.1.4 传热方程  42-43
    3.1.5 气体组分的传质方程  43-44
    3.1.6 速率方程、传热方程和传质方程中关键参数的确定  44-48
    3.1.7 固相物种的转化率  48-49
  3.2 计算模型的建立  49-56
    3.2.1 数值传热学求解问题的基本思想和基本方法  49
    3.2.2 有限差分法的建立离散方程的方法  49-50
    3.2.3 区域的离散  50-51
    3.2.4 控制方程的离散  51-56
  3.3 计算程序  56-57
  3.4 模型的验证  57-62
4 含碳水泥生料球预热预分解过程的数值研究  62-82
  4.1 料球预热预分解过程模拟  62-70
    4.1.1 计算参数的选取  62-63
    4.1.2 模拟结果及分析  63-70
    4.1.3 过程模拟结论  70
  4.2 各种因素对预热预分解过程的影响  70-82
    4.2.1 温度的影响  71
    4.2.2 料球密实度(初始空隙率)的影响  71-72
    4.2.3 焦碳含量的影响  72-74
    4.2.4 碳粒细度的影响  74-75
    4.2.5 石灰石细度的影响  75-76
    4.2.6 气流速度的影响  76-78
    4.2.7 环境中CO_2气氛的影响  78-80
    4.2.8 环境中O_2含量的影响  80-82
5 结论和展望  82-84
  5.1 结论  82-83
    5.1.1 单颗粒预热预分解过程的模拟研究结论  82
    5.1.2 各种影响因素对预热预分解过程的影响研究结论  82-83
  5.2 展望  83-84
致谢  84-85
参考文献  85-87

含碳水泥生料球预热预分解过程的数值研究

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