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1、南京工业大学硕士学位论文氧分解炉鹅颈管及废气管道内气体流动规律试验与数值模拟研究姓名：张冠卿申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：李昌勇20060619- I - 摘 要 在新型干法水泥窑系统中， 分解炉鹅颈管和废气管是窑尾系统的重要组成部分。在其内部的流体一般都处于湍流状态，由于要经过 180弯管，气流运动十分复杂，存在复杂的二次流，产生尺度很大的旋涡，造成局部障碍，从而对流动系统的阻力及热质交换产生重大作用。 详细了解这些信息就有可能通过调整区段的几何形状或其他参数来控制二次流，达到满意的工作状态。 对气体流场的测试和观察表明，分解炉鹅颈管道大致可分为三个区域：弯管外侧速度大幅增加
2、的区域、 因旋流而明显增大的二次涡流区和直管段旋流逐步减弱的区域。管道内流场与管道及分解炉结构密切相关，同风管进入分解炉气流状态密切相关。弯管中二次涡流的存在对于气固混合有利，对物料的分散与均布又会产生不利影响。旋流的存在使得二次涡流区域明显增大，增加了气流阻力，这是鹅颈管阻力明显高于常规弯管局部阻力的主要原因。 分解炉鹅颈管可以延长物料停留时间和煤粉燃烧时间， 但料气停留时间比值低，只有 1.44 左右，空间利用效率很低，也使阻力损失明显增大。对于新建水泥生产线中，其对分解炉内物料停留时间的增加的贡献相当有限，效果也是不理想的。 但是在改扩建老生产线中的分解炉可以根据现场情况考虑增设鹅颈管以
3、适当改善分解炉功能。 在 20m/s 风速时废气管阻力达到 880Pa 左右。废气管阻力系数达 3.88 左右，与一级预热旋风筒的阻力相当。废气管压损主要产生于弯管段，占整个废气管阻力 70%左右，这种高阻力损失主要是由于强旋流的存在引起的。 加装南京工业大学开发的整流器后，切向风速变为远远低于轴向风速，弯管二次涡流的区域也明显减少， 风速绝对值降低， 废气管的阻力损失可减少约 60%。 对该分解炉鹅颈管及废气管进行数值模拟研究，得到了弯管道流场分布状态、湍动能以及湍动能耗散状态等多项参数，全面精细直观地反映了其内部流场状态。 发现鹅颈管进口处靠外壁和出口中心处速度较大， 湍动能与速度分布一致
4、，且最大值出现在进口和出口中心柱段环形空间处。 通过采用冷模试验和 CFD 数值模拟相结合的手段对分解炉鹅颈管的流场进Abstract - II - 行研究， 积累了一套对其系统流场进行研究的方法和经验， 搭建了一个研究平台。从而可为工程实际生产起到借鉴作用。 关键词： 新型干法 分解炉鹅颈管 废气管 连接管道 CFD数值模拟 - II - ABSTRACT It exists many irregularity sectors in the conduit system of New Type Dry-Process Cement Production besides long and st
5、raight sectors.Calciner gooseneck and exhaust piping are the typical winding pipes.And fluid in the sector are all turbulence,it has complex movement,generally can induct frictional secondary flow to produce big scale swirl to bring part obstacle.Accordingly,it can make grave effect on fluid system
6、resistence pressure and caloric conversion.So it could achieve a satisfactory working situation by modulating the geometry or else parameter by finding out these informations to control the secondary flow in the pipes. Due to the limited experiment condition,it prolongs the periods and fares just by
7、 the cold-model experiment to research capability of pipes.At present, the research emphasis of the preheater system has transferred integral character to the flow details .Using the computer technology to solve problems is extremely important.The method of flow field numerical simulation,its the ne
8、wly developed results of Modern digital Computer,numerical analysis,Computation fluid mechanics from 70s.This simulation based on computational fluid mechanics axiom,establishing various basic conservation equations of complex condition,accordingly could gained the space-time distributing situation
9、of each variable in the whole flow field.Mainly with turbulent numerical simulation research on the flow field moving rules in the kiln pipes,so it could optimize structure and cut the research periodic,having the important project application value. In this paper,mainly used cold model experiment a
10、nd joined CFD simulation,made a analyse about 3-D flow field,resistence pressure and materials dispersion in the pipes.Compare with documentations,the results accorded well.It proved that the experimental method is right,the conclusion has reference value. Keywords: New Dry Type Cement Production； C
11、alciner gooseneck； Blast pipes； CFD numerical simulation 南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得南京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日 期： 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所
12、、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版） 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京工业大学研究生部办理。 研究生签名： 导师签名： 日 期： 硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题的提出及意义 近十年来，我国新型干法水泥生产技术飞速发展，其成就为世人瞩目。相关研究工作也在不断深入进行，尤其在预热器、分解 炉、冷却机、立磨、选粉机、辊压机等方面的研究都取得了长足的进展，
13、水平不断提 高。但很多细节技术的研究，如分解炉鹅颈管道和废气管道的流体运动过程等还未见 相关报道。在科学技术高度集成而又高度分化的今天，往往“细节决定成败” ，细节的不断完善与优化，也可能成为提升系统整体指标的重要环节。 近年来因开发设计的需要，对旋风筒、分解炉等内部流场研究相当广泛和深入，而对窑尾分解炉鹅颈管和废气管道探讨的较少 。对于性能优良的分解炉，不仅要求高效，同时要求运行可靠，即包括以下要求：提 高生料分解率、煤粉燃尽率、降低污染物的浓度等方面具有较好性能和抗波动能力。 鹅颈管内气体流动特性对分解炉内煤粉燃烧和生料分解的影响很大。而窑尾废气通过 热风管道输送进入收尘器，经收尘后排出。
14、其设计合理性在预分解水泥生产中显得十 分重要。目前在流场的研究中，研究者在不断完善试验方法。在本课题中，根据理论 模型进行数值模拟来研究窑尾弯管，鹅颈管和废气管的单相流体运动情况。 为全面深入了解新型干法水泥生产窑尾系统一些连接管道的气固运动规律，本课题以分解炉鹅颈管和出预热器废气总管道为研 究对象进行了一些探索性研究工作，以求进一步完善对新型干法窑全系统研究的全面 性和系统性，为新型干法窑系统的全面完善提供参考依据。 作者计划利用南京工业大学硅酸盐研究所开发 的智能三维流场测试系统 MSGFP (The measuring system for gas flow field and pres
15、sure )，对分解炉鹅颈管和出预热器废气管进行冷态模拟实验研究。分解炉鹅颈管和出 预热器废气管模型均按实物按一定比例缩小制作，试验内容包括：三维流场测试，管 道阻力损失测试以及物料分散状况的观察测试。最后，结合 CFD 数值模拟的方法，对窑尾弯管设备进行计算分析，从而对分解炉鹅颈管和出预热器废气管的气固运动过程 和规律进行比较全面的分析和评价，为新型干法水泥窑的系统优化和优化设计提供必要的参考依据。 作者认为，通过对分解炉鹅颈管和窑尾废气管道等设备的系统研究与分析，积累第一章 绪 论 - 2 - 一套对其内部流场进行评价、完善和优化的方 法，可以从附属设备方面为进一步全面优化新型干法窑系统的
16、综合性能指标提供参考 依据，从而进一步提升我国新型干法水泥生产技术的整体水平，促进行业技术进步。 1.2 分解炉鹅颈管和废气管道的基本功能及分析 分解炉、旋风预热器以及各预热器间的连接管道是干法水泥生产中烧成系统的重要组成部分。作为预热单元的旋风筒是由旋风分离器发展而来，其原理1随着气固两相流理论和测试方法不断发展，已经日趋完备。 悬浮预热器和预分解技术是近代水泥工业发展的重大技术革命。 窑尾预分解系统中旋风预热器的任务是充分利用窑尾排出废气中大量热能对生料粉进行加热、升温，并完成生料干燥、粘土矿 物的脱水和部分碳酸盐矿物的分解后，将之喂入分解炉进行下一步的悬浮态碳酸盐分解过程。 众多资料表明，在每一级气固换热单元（包括旋风筒和下一级到该级旋风筒的连接管道） ，气固之间绝大部分换热过程是在入口管道内进行的，当物料颗粒 mdp100=左右时，换热时间仅仅需要 0.
