过程工程学报

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过程工程学报. 2025, 25(5): 0.

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套筒安装角度对窗口式套筒调节阀空化特性影响及机理分析

盛侃张深哲金志江钱锦远

过程工程学报. 2025, 25(5): 425-434. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224267

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窗口式套筒调节阀作为一种常见的调节阀，是过程工业系统中的关键部件，然而，阀内空化现象会导致阀门出现调节能力失效、阀内结构损伤等问题，从而影响系统正常运行。在阀门设计过程中，套筒存在两种基于工程实际的对称安装角度，本工作针对套筒安装角度对窗口式套筒调节阀空化特性影响尚不明晰的问题，通过数值模拟方法对不同套筒安装角度与工况参数影响下的空化特性以及空化产生机理进行研究。结果表明，改变套筒安装角度可以在不影响阀内流通能力的前提下，显著抑制阀内的空化现象。空化程度出现差异的成因源于阀内不同的空化产生机理。一类空化的产生源于流通面积陡缩与康达效应作用下的高速射流；另一类空化的产生源于节流窗口底部的强涡结构带来的局部压降。另外，本工作证明了强涡结构与空化产生位置有直接联系。本研究结果对实际工程中窗口式套筒调节阀套筒安装角度设置问题以及空化抑制结构优化设计均具有指导意义。

复合立体旋流筛板两区交互影响机制研究

霍平李天宇王虹凯唐猛

过程工程学报. 2025, 25(5): 435-444. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224259

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针对复合立体旋流筛板(CTRST)中旋流区和填料区气液跨区耦合流动交互影响机制不清晰等问题，本工作基于双欧拉两相流法对CTRST进行了模拟。使用气、液相体积流量比描述了塔板两区气液相流动分配情况，并与单旋流构型塔板进行对比，分析两区交互影响下液相分布、压力场和速度场交互影响机制。结果表明，旋流区气液相体积流量比始终占据60%以上，气液相体积流量比最大值所在轴向截面随气液量变化发生转变。最大气、液相体积流量比截面随Lw增大而上升，由Z=25 mm移动到Z=10 mm处；随Fs增大而下降，由Z=25 mm移动到Z=40 mm处。CTRST中填料区对旋流流动具有较强的缓冲作用，显著减缓了旋流区压力降低趋势，填料的加入并未影响两区压降的平衡；两区结构对于气液两相流动的阻滞作用较为均匀，压降分布较为均匀。在旋流区存在使旋转流方向转变的过渡点，且过渡点位置沿轴向朝内筒方向内移。相比单旋流构型塔板，CTRST过渡点的内移提高了旋流区的持液能力，促进了两区之间气液交互流动。最大气、液相体积流量比截面随Lw增大而上升，由Z=25 mm移动到Z=10 mm处；随Fs增大而下降，由Z=25 mm移动到Z=40 mm处。

水泥回转窑内多物理场耦合模拟研究

关晶田于杰刘银杰李飞叶家元许成文卢春喜王维何险峰

过程工程学报. 2025, 25(5): 445-458. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224299

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水泥回转窑作为水泥生产过程中的关键设备，其内部的气相煤粉颗粒燃烧与固相水泥烧结反应同时进行，这两个过程对于水泥熟料产品的生成及产品质量具有决定性的影响。然而，由于二者之间的反应速率和流速差异较大，现有的模拟多数局限于对单一的固相烧结或气相煤粉燃烧反应过程研究，对二者之间的相互作用探讨较少。针对这一不足，提出一种创新的气固相耦合模拟方法，将窑内区域划分为三维气相煤粉燃烧区和一维固相水泥烧结区，分别进行独立模拟，并通过迭代计算实现两者之间的紧密耦合。耦合模拟方法有效克服了气相与固相间流速显著差异带来的模拟挑战，能够更全面地揭示窑内流体流动、热量传递及化学反应的相互作用机制，为回转窑这一复杂系统提供了一种多尺度耦合模拟方法。耦合模拟结果显示，相较于传统的单一一维或三维模拟，这种方法能显著提高模拟精确度，模拟结果与工厂实际熟料输出数据高度吻合，更真实地还原了工业窑内发生的反应过程，显著提升了模拟精度。可有效指导回转窑优化设计和操作流程，从而提高熟料产品质量，为水泥回转窑的仿真提供了一种准确、高效的模拟方法。

颗粒静电效应对气固流化床流动参数的影响

于化龙孙建龙胡霞丁宇航

过程工程学报. 2025, 25(5): 459-470. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224305

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忽略静电效应是气固流化床中沉降分离高度实际值与预测值之间误差产生的重要原因。由于难以定量控制颗粒带电量，因此很难通过实验方法研究静电效应对沉降分离高度造成的影响。本工作考虑颗粒间的静电效应，采用CFD-DEM数值模拟方法，对三维流化床中的颗粒夹带和沉降分离高度问题进行研究。结果表明，颗粒之间的静电效应会抑制颗粒夹带，降低夹带率；颗粒带电量较小时，颗粒间静电力可以增大平均颗粒高度和自由空域中颗粒纵向速度，增加了沉降分离高度；颗粒带电量较大时，颗粒间的静电吸引力容易造成颗粒团聚，降低了自由空域中的颗粒浓度，抑制了颗粒夹带，减小了沉降分离高度。

一种涡流静态混合器流动及混合特性

周逸凡金光远吴松景玉豪朱正山冯文凯宋春芳李臻峰宋飞虎李静

过程工程学报. 2025, 25(5): 471-482. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224298

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静态混合器无须外部能源、结构紧凑、集成便利，在食品加工行业中具有重要地位。其中涡流的引入能够显著提升其混合效率，提高反应效率及效果。目前主流涡流静态混合器通过内部结构产生涡流以达成高效混合，其结构需承受流动冲击，有损坏风险。本工作研究了一种涡流静态混合器，并通过数值模拟方法研究其流动与混合特性，考察了入口流速及结构参数，包括腔室长径比(D/H)和轴向管径比(D/Da)的影响。结果表明，混合器内部以涡流为主，伴有显著二次流，包括二次涡循环流区、短路流区以及偏心涡区。提高入口流速增强了内部涡流流动，减弱了二次流，出口分离强度显著减小。当流速达0.223 m/s，可于腔室出口达到完全混合。减小D/H或增加D/Da可强化内部涡流流动，混合效果随D/H减小而增强，随D/H由6减小至4，涡流腔出口分离强度由4.03×10-3减少至5.23×10-4。

一种新型煤矸石基快硬膏体充填材料的制备与性能

徐亮黄士兵李正昊李家茂高元宝樊传刚

过程工程学报. 2025, 25(5): 483-491. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224295

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为提高煤矿开采效率，加快煤矿采空区回填速度，降低煤基固废物对矿区环境的污染与破坏，本工作以煤矸石、粉煤灰、硫铝酸盐水泥、过硫酸盐水泥为原料，制备了煤矸石基快硬膏体充填材料。通过开展流动度、无侧限抗压强度、吸水率及软化系数等试验，研究了水胶比和骨胶比对试样宏观性能的影响，并对试样的微观结构与固化机理进行分析。研究结果表明，当骨胶比为4:1，水胶比为1.5时，试样的初始流动度为195 mm，8 h无侧限抗压强度为3.26 MPa，呈现明显的“早强快硬”特征，3, 7, 28 d无侧限抗压强度分别为5.56, 5.66和6.61 MPa。同时，28 d龄期试样的吸水率为16.86%，软化系数为0.90，耐水性优良。相组成与微观形貌分析表明，充填试样的早期无侧限抗压强度主要来源于煤矸石骨料的堆积填充效益与胶结部分中大量形成的钙矾石(AFt)，而后期粉煤灰等原料发挥火山灰效应，并与过硫酸盐水泥协同反应，其水化产物可进一步提高充填试样的致密度与力学性能。本研究可为新型煤矸石基绿色充填材料的开发与实际应用提供实验依据和理论指导。

温度和气氛对含铁炉料还原过程粉化行为的影响

杨志伟王广王静松薛庆国

过程工程学报. 2025, 25(5): 492-499. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224296

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氧气高炉工艺是一项重要的低碳炼铁工艺，含铁炉料的粉化性能对冶炼过程有着重要影响，为指导氧气高炉工艺下含铁炉料的选择，本工作对比研究了氧气高炉、传统高炉两种还原气氛下烧结矿和球团矿的还原粉化行为。结果表明，在传统高炉条件下，随着还原温度不断升高烧结矿的粉化指数(RDI+3.15)呈先减小后增大的趋势。这是由于随着还原的不断进行，Fe2O3被还原为Fe3O4过程中产生的膨胀内应力逐渐增加，从而导致粉化加剧。在700℃时，粉化指数与国标测试值接近，而在高温区域(900~1100℃)，烧结矿核心处的Fe3O4被快速还原，且随着炉料颗粒由表面到内部FeO和金属铁的逐渐形成，体积收缩，致密度提高，导致粉化减弱。然而在高还原势的氧气高炉条件下，在500~900℃范围内，烧结矿的粉化指数持续下降，这是由于氧气高炉中的还原气体CO和H2浓度提高，促进了还原气体向炉料核心处的扩散，使得反应界面逐渐由表面向核心转移，更多的Fe2O3被还原为Fe3O4，还原膨胀应力增强，导致氧气高炉条件下烧结矿的粉化指数低于传统高炉条件下的粉化指数。但随着还原度的提升，烧结矿中FeO和金属铁含量增加，1100℃时氧气高炉条件下烧结矿的粉化性能得到改善，且略高于同温度下传统高炉条件下的粉化指数。此外，氧气高炉条件下烧结矿和球团矿的粉化指数均低于传统高炉条件下，对比两种炉料发现，两种条件下球团矿的粉化指数远远高于烧结矿，且RDI+3.15均在90%以上。

转炉炼钢供氧量预测的混合建模与多网络优化

柳玉杰张兴淦彭前范鼎东邓爱军夏云进

过程工程学报. 2025, 25(5): 500-509. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224252

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传统转炉供氧量预测模型多从机理或算法单一角度入手，忽视转炉冶炼数据的高噪音性和模型训练的偶然性，导致实用性和可信度不足。为此，本工作提出一种基于多网络优化的混合预测模型，首先采用孤立森林算法剔除异常值，之后结合弹性网络与BP神经网络进行建模，最后通过五折交叉验证提高模型泛化能力、网格搜索确保全局最优解。以国内150 t氧气转炉为研究对象验证模型使用效果，结果表明，在±200和±300 Nm3误差范围内，预测命中率分别为76.54%和94.61%；模型的R2=0.6512，RMSE=159.7 Nm3，最大绝对误差(MAE)≤350 Nm3。此外，研究表明融合多种数据分析方法能够提高模型的泛化能力和置信度，MAE是衡量模型可用性的重要指标。

配加赤-褐铁矿对熔剂性磁铁矿球团氧化动力学和焙烧性能的影响

冉微潘建杨聪聪朱德庆吴增福刘庆华张倩

过程工程学报. 2025, 25(5): 510-521. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224318

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采用同步热分析(TG-DSC)揭示了赤-褐铁矿、细磨石灰石对磁铁矿氧化过程的影响，发现石灰石中碳酸钙和褐铁矿中结晶水的分解和逸出会抑制磁铁矿的氧化。考察了配加细磨赤-褐铁矿对不同配矿条件下熔剂性磁铁矿球团氧化动力学的影响机制，并揭示了模拟带式焙烧机工艺条件下球团氧化度与其焙烧性能之间的内在关联。结果表明，在850~1000℃，配加了不同含量赤-褐铁矿的球团在氧化前期均受化学反应控制；赤-褐铁矿的配加量越高，表观活化能越高，且在碱度相同时，配加褐铁矿的球团氧化前期活化能比配加等量赤铁矿的球团高，主要原因是前者在加热过程中结晶水的脱除带走了部分热量，降低了氧分压。不同于传统链篦机-回转窑工艺，带式焙烧机预热段的球团氧化度并非越高越好，球团预热阶段氧化度过高，导致焙烧阶段因Fe3O4氧化提供的热量较少，反而不利于提高球团的强度。

25 MW导热油炉操作弹性的模拟研究

贾春桦白云宇赵海龙李秀明李迪王娟

过程工程学报. 2025, 25(5): 522-532. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224213

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工业上应用的导热油炉具有较大的炉膛尺寸和较高的热负荷。对某设计负荷为25 MW的导热油炉进行了三维数值模拟，研究了不同热负荷的工况下炉内流动与燃烧过程中的烟气速度、温度、组分浓度等关键参数的分布规律。结果表明，燃烧器的布置方式使得燃料射流与空气射流间存在较高的速度差，射流卷吸作用明显，炉膛内的温度分布均匀性有待提高。当热负荷超过60%时，炉膛内的回流区域较大，烟气停留时间延长，有利于炉管内导热油吸热升温，但从辐射室进入对流室的烟气流速较大、温度较高。在满负荷和超负荷运行条件下，需控制烟气流速，保持平稳操作。以上研究结果可为导热油炉的设计和实际运行提供理论指导。

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