空气分级对分解炉燃烧过程影响的模拟研究

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(1.西北工业大学 航天学院，陕西 西安 710072；2.西安航天动力研究所，陕西 西安 710100)

空气分级对分解炉燃烧过程影响的模拟研究

杨国华1，吕刚2，陈艳艳2，赵强2

(1.西北工业大学 航天学院，陕西 西安 710072；2.西安航天动力研究所，陕西 西安 710100)

为研究分级条件下，分解炉内温度场、氧气浓度场及NO浓度场的变化规律，利用数值模拟手段对5 000 t/d水泥分解炉的物理化学过程进行了数值模拟研究。研究结果表明：在分级燃烧条件下，分解炉主燃烧区域的氧气浓度明显减少，燃烧温度也相应的降低，NO的生成量减少；在分级风入口的上方存在一个高温区，但在此区域NO浓度没有明显升高。分风量增加，分解炉出口的NO浓度降低，分解炉内生料的分解率和煤粉燃尽率均下降，但是分解炉出口的温度有一定的升高，说明分级燃烧在一定程度上会影响水泥的生产过程，在实际运行过程中应合理选择分风比例。

分解炉；分级燃烧；煤粉燃烧；NO；数值模拟

水泥工业是继电力、机动车之后的氮氧化物第三大排放源。根水泥设计院对我国1 000～5 000 t/d水泥熟料生产线实测数据显示，水泥厂NOx排放的范围为350～1 650 mg/Nm3，全国加权平均值约800 mg/m3。2004年我国颁布了水泥工业NOx排放标准，要求水泥厂NOx排放量不高于800 mg/Nm3。2011年底，工业和信息化部出台了《关于水泥工业节能减排的指导意见》，要求在“十二五”末，水泥工业的氮氧化物排放量在2009年的基础上降低10%。控制水泥行业NOx的排放对我国的节能减排乃至水泥工业的可持续发展都具有十分重要的意义，是水泥工业发展中一项艰巨的战略任务。

在干法水泥生产工艺中，分解炉和回转窑以及悬浮预热器是完成熟料烧成的主要设备，而煤粉主要在分解炉和回转窑内燃烧，降低NOx排放的技术主要包括回转窑的低NOx燃烧器、分解炉分级燃烧和选择性非催化还原及选择性催化还原等技术。分解炉的分级燃烧是通过调整煤粉燃烧工况降低NOx排放的有效手段[1-2]，该技术是将来自于冷却熟料的热三次风分级进入分解炉，在分解炉下部区域内缺氧燃烧，形成还原区，一方面抑制煤粉的燃料型NOx的生成，另一方面还原掉来自于回转窑窑尾烟气中的NOx。分解炉的分级燃烧可以在不降低水泥窑炉经济性的条件下，降低水泥窑炉内NOx的量，从而降低烟气脱硝的运行成本。

针对分解炉内煤粉燃烧、生料分解等物理化学过程，国内外研究者开展了大量深入的研究[3-4]，对于常规电站锅炉分级燃烧条件下煤粉燃烧变化规律，也得到过较多的试验及数值模拟研究成果[5-7]，但是对水泥分解炉分级燃烧条件下的运行情况的认识还不够深刻。本文采用数值模拟手段，对5 000 t/d熟料生产线的分解炉分级燃烧过程展开数值模拟研究，考察在分级燃烧条件下分解炉的氧气浓度场、温度场、NO浓度场的分布规律，并研究不同运行工况下水泥生产的运行可靠性，可为分解炉分级燃烧调整及后期的烟气脱硝技术提供理论指导和技术支撑。

1 数学模型及边界条件

1.1 流动模型

分解炉稳态湍流流动动量方程、连续方程、能量方程及k-ε方程组(柱坐标)[8]为

(1)

其中r、θ和z表示圆柱坐标下的径向、切向和轴向，φ代表因变量。左边三项表示对流项，右边前三项表示扩散项，最后一项为源项。

1.2 煤粉燃烧和生料分解模型

煤粉的热解模型采用双平行反应模型。煤焦燃烧速率用式(2)表示

(2)

式中Mp——颗粒的质量；

p——气体压力；

dp——颗粒直径；

Vox——固体颗粒周围的O2式的分压力；

kt——总化学反应速率系数。

采用收缩核模型[5]模拟生料的分解(主要成分为碳酸钙)

(3)

式中α——生料的分解率；

k0——分解反应的速率常数/s-1；

E——反应活化能;

R——通用气体常数/J·mol-1·K-1,R=8.314；

T——生料的颗粒温度/K；

pe——生料分解时的二氧化碳平衡压力/Mpa;

p——CO2分压/MPa；

Dp——生料的颗粒直径/m；

t——反应时间/s。

1.3 NO生成及还原模型

分解炉中燃料型NO的生成过程采用De’Soete[9]机理模型来描述，即

(4)

煤中燃料N的释放速率与煤粉的热解及煤焦燃烧时的质量衰减速率Sp成正比，即

(5)

式中 27——组分HCN的分子量;

14——N元素的原子量;

HCN氧化反应生成NO的反应速率为[8]

(6)

式中Yi表示i组分的质量分数;O2的反应级数b由De’Soete给定。生成的NO也可能被HCN还原而生成N2,其反应速率为

RNO→N2=3×1012ρgYHCNYNOe-30000/Tg

(7)

焦炭对气体中的NO也有还原作用，采用Levy[10]等人的模型，其速率为

RNO+char=41800e-33700/TgAcharpNO

(8)

式中Achar——焦炭的外比表面积;

pNO——NO在气氛中的分压力。

生料分解生成的CaO对NO的还原反应也有催化作用[11]，反应模型方程式如下：

(9)

其反应速率如式(10)所示：

RNO+CaO=39816×108ρgYNOYCOe(-8920/Tg)

(10)

1.4 模拟对象及边界条件

模拟对象为5 000 t/d分解炉，炉体采用200×80×150(轴向×径向×切向)交错的均匀结构化型式网格，在分解炉的下部入口、中部缩口、出口处，在切向和轴向均进行局部加密。采用控制容积法来离散流体相的控制方程；采用混合差分格式来离散流项和扩散项；采用SIMPLER算法求解离散方程组的压力与速度的耦合；采用TDMA逐面迭代求解；采用TDMA的扩展形式CTDMA进行循环迭代求解；采用数值积分方法求取常微分的颗粒相控制方程组的解析解[12]。

图1 双喷腾分解炉示意图

数值求解边界条件的所有数据均来自于水泥生产线的现场测量，其中入口边界条件、煤粉颗粒的粒径分布和成分分析、生料的粒径分析和成分分析、以及窑尾烟气成分分别如表1、2、3、4、5、和表6所示。

表1 各物质流量和温度

表2 煤粉颗粒粒径分布

表3 煤样的工业分析和元素分析

表4 生料颗粒粒径分布

表5 生料的成分分析

表6 窑尾烟气成分分析

2 网格与模型参数的验证

如上所述，采用上述网格技术划分网格、数值计算模型及相关计算边界条件对分解炉尽心模拟，数值计算结果与现场测量结果进行了对比，结果如下表。

表7 数值计算值与现场实测值对比

从上表可以看出，采用上述数值计算模型，得到分解炉出口的O2、CO2浓度及NO浓度值偏差较小，其中CO2浓度、NO浓度及出口温度的偏差均小于5%。

3 计算结果与分析

3.1 速度场模拟结果分析

图2为分级燃烧前后分解炉内速度场的分布图。由图可知分解炉的窑尾烟气入口和中部缩口处的气流速度在整个流场中相对较大。在三次风入口与分解炉中部缩口之间存在回流区。回流区可以促进炉内气体的回旋流动，使入炉的热生料颗粒随气流运动变得曲折分散，形成炉内的喷腾效应。物料的喷腾效果可以增加颗粒在炉内的停留时间，增强炉内的颗粒与热烟气之间的热换热，提高生料在分解炉的分解率。在分级燃烧时，由于三次风的补充注入，在分三次风入口区域产生了气流高速区。炉内的回流区域有一定程度的缩小，且中部缩口的气流速度也有一定程度的降低，从而在一定程度上会减少生料在分解炉的停留时间。

图2 分级燃烧对分解炉内速度场分布的影响

图3显示了分级燃烧前后分解炉内温度场的分布规律。由图可知，分风后分解炉的主燃烧区变成了弱还原区，由于此处氧气的浓度减少，煤粉的燃烧温度也有一定程度降低，高温区的面积也有一定的缩小。在分三次风入口附近，未燃尽碳与分风中的氧气反应，形成了第二个高温区，但分风区的温度已有一定的降低，未燃尽碳的质量有限，NOx并没有大量的生成。

图4给出了分解炉内氧气浓度的分布情况。由图可知， 分解炉内O2浓度最大处为在三次风入口处，随着分解炉位置的提高，煤粉的燃烧反应消耗了大量的O2，O2浓度逐步减小。采用分级燃烧，由于分三次风空气流的加入，形成了一个高氧气浓度区，未燃尽碳在补充氧气的作用下继续燃烧反应，保证了分解炉内煤粉的完全燃烧。

图3 分级燃烧对分解炉内温度场分布的影响

0-180°截面分三次风入口截面(0-180°截面)

图5 分级燃烧对CO2浓度场分布的影响

图6 分级燃烧对NO浓度场分布的影响

图5为分级燃烧前后分解炉高度方向的CO2浓度变化的对比情况。由图可知，分解炉内的CO2浓度沿高度方向呈逐步增加。分解炉的三次风是经过熟料加热后的热空气，在三次风入口附近的CO2浓度较低。在三次风上方，由于煤粉的燃烧和生料的分解，使得CO2浓度增加。在分级燃烧条件下，分解炉的主燃烧区域的CO2浓度低于分级前，这是因为分级燃烧导致主燃烧区域煤粉燃烧不完全。在分风入口区位置，气氛中的CO2浓度被补充的新鲜热空气稀释，但由于生料的分解和煤粉的燃烧，在分解炉的出口位置，分级前后的CO2浓度相差不多。

图6给出了分风前后分解炉NO浓度场的分布规律对比。由图可知，在分解炉内三次风入口上方，由于氧气浓度及温度较高的区域由于煤粉的剧烈燃烧，NO浓度最高。在缩口位置以上区域，NO浓度在一定程度上出现降低的趋势，原因是剩余的煤焦燃烧对还原NO的反应更显著。在分级燃烧条件下，主燃烧区域温度及氧气浓度降低，分解炉主燃烧区的NO浓度降低。热三次风补充进入后，分风口以上区域的NO浓度虽有升高，但此处的燃烧不够剧烈，分解炉出口NO浓度不会大量升高。与未分级燃烧相比，分级燃烧分解炉分解炉的出口NO浓度明显降低。

3.2 分解炉出口统计与分析

图7给出了不同三次风分风比例下分解炉出口温度与出口NO浓度的统计信息。从图中可以看出，随着分风的增加，分解炉出口温度呈上升的趋势。当分风比例由0%增加到27%时，出口温度可有860℃增加到910℃左右；与之相对应，随分风比例增加，出口NO浓度由626 ppm降低到431 ppm，NO浓度减排量超过30%。

图7 分风比例对温度和NO浓度的影响

图8显示了分解炉内煤粉的燃尽率和生料的分解率随三次风分风比例的变化规律。由图可知煤粉的燃尽率随分风比例的增加略有降低；生料的分解率降低较多，从最初的93.6%降低至87.7%。在水泥生产过程中，分解炉的煤粉残留物随生料分解产物进入回转窑可进一步燃烧而利用其热量，未分解的生料也可进一步分解形成CaO及SiO2等氧化物。因分风后生料分解率的降低程度远大于煤粉燃尽率的降低程度，因此采用分级燃烧，在一定程度上可增加水泥分解炉内的煤耗。另外，水泥分解炉分解率的下降会加重回转窑的负担，而且由于回转窑的传热效率远不如分解炉，不仅总体热耗增加，窑的产量也会有一定程度的降低，因此在进行分解炉分级燃烧改造时，应合理配置分风比例。

图8 分风比例对生料和煤粉反应率的影响

4 结论

本文对5 000 t/d水泥分解炉空气分级燃烧前后的温度场、CO2、O2及NO浓度场的变化规律展开了数值模拟研究。得到如下研究结论：

(1)空气分级条件下主燃烧区域的氧气浓度明显降低，限制了煤粉的燃烧速率，分解炉主燃烧区域的温度也有一定程度的下降，从而引起煤粉燃烧过程中NO生成量的减少。在分三次风入口上方会形成第二个高温区，在此区域不会产生NO的大量生成。

(2) 随着分风比例的增加，分解炉出口温度有一定的上升。煤粉的燃尽率和生料的分解率均有一定程度的下降，但生料分解率降低更明显，说明空气分级在一定程度上可增加分解炉的煤耗。

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NumericalStudyontheEffectofAirStagedtotheProcessofCombustioninPrecalciner

YANG Guo-hua1，LV Gang2，CHEN Yan-yan2，ZHAO Qiang2

(1.College of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China;2.Xi’an Aerospace Propulsion Institute，Xi’an，710100,China)

In order to study the distribution law of temperature,O2concentration, CO2concentration and NO concentration in precalciner, numerical simulation has been used by a 5000t/d precalciner on the condition of staged combustion. The result shows that on the condition of air staged combustion, O2concentration, temperature and the NO concentration in the main zone of precalciner decrease,and the temperature above the inlet of staged air increases,however, the NO concentration at the outlet of precalciner increases insignificantly. With the increase of the ratio of staged air, the concentration of NO at the outlet of precalciner decreases significantly,however, the ratio of law meal decomposition and coal combustion decrease while the temperature of the outlet of precalciner increases a little,which indicates that staged air combustion can influence the process of cement production,therefore,the ratio of staged air should be choosed carefully.

precalciner；air staged combustion；coal combustion；NO；numerical simulation

2014-03-22修订稿日期2014-07-10

杨国华(1979～)，男，博士研究生，研究方向为煤粉燃烧过程的数值模拟。

TK16

A

1002-6339 (2014) 04-0312-06