磷石膏是湿法磷酸生产过程产生的固体废渣,露天堆放会给环境带来严重的污染,并且占用大量土地资源。磷石膏制酸联产水泥工艺是磷石膏资源化利用的有效途径,但传统工艺过程因传热传质效率低导致能耗高而严重影响该工艺技术的推广使用。磷石膏在窑外的旋风筒预热与分解制酸联产水泥新工艺可以显著提高传热传质效率,进而大幅降低过程能耗,旋风筒的作用是利用回转窑出来的高温尾气对磷石膏颗粒进行预热和预分解,同时还要承担气固分离任务。磷石膏颗粒在旋风筒中的浓度分布会直接影响其传热效率,而旋风筒尺寸和操作条件的不同又会影响磷石膏颗粒在旋风筒中的浓度分布与分离效率。因此,本研究在冷态实验装置上对磷石膏在旋风筒中的浓度分布进行实验测量,采用Fluent软件进行数值模拟,优化旋风筒结构尺寸与操作条件,并与实验结果进行对比。首先,在冷态实验装置上采用双层电容层析成像系统测量同时在线测量旋风筒上部入口截面和下部筒体和锥体交界截面旋风筒中的磷石膏颗粒浓度分布,考察风速、固气比和排料口尺寸对磷石膏浓度分布及分离效率的影响,分析其对气固接触面积和产生气体SO₂浓度影响。结果表明:磷石膏颗粒在旋风筒中呈环状分布,中心颗粒浓度小,筒壁处颗粒浓度最大,直筒段上部截面颗粒浓度大、下部截面颗粒浓度小。风速增大,磷石膏径向颗粒浓度减小,分离效率呈现先增大后降低的趋势,有利于增大气固接触面积,改善传热,但在磷石膏分解时不利于SO₂浓度提升。固气比增大,磷石膏径向颗粒浓度增大,分离效率提高,减少气固接触面积对传热不利;但在磷石膏分解过程,有利于SO₂浓度提升。旋风筒排料口直径增大,径向截面上的颗粒浓度呈现先减小后增大的趋势,旋风筒分离效率提高,但随体系的固气比不同提高的幅度会存在差异,甚至会降低,即不同的固气比存在不同的适宜排料口直径。其次,采用FLUNT软件对冷态下磷石膏在旋风筒中的浓度分布进行气固两相流数值模拟和优化,采取了雷诺应力气相湍流模型和欧拉—欧拉气固两相流模型对磷石膏在旋风筒中的浓度分布进行了模拟,并按照分离效率目标参数进行优化。结果表明:将模拟结果与实验结果进行对比,计算值与实验结果基本一致。在实验基础上增大风速,对于分离效率和气固接触面积影响较小。固气比增大分离效率有显著提高,且颗粒浓度增大,虽然气固接触面积会减小,但是磷石膏分解过程SO₂浓度会增加。根据模拟结果,得到优化结果为:旋风筒下料口直径为50 mm,操作风速17 m/s,固气比2.25 kg/m³,分离效率为94.2%。