DDF分解炉煤粉燃烧与生料分解耦合过程的数值模拟

陈作炳，汤 帅，项 勤

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)



DDF分解炉煤粉燃烧与生料分解耦合过程的数值模拟

陈作炳，汤 帅，项 勤

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)

以某公司4 500 t/d水泥熟料生产线DDF型分解炉为研究对象，采用FLUENT软件，气相湍流模型选用k-ε模型，利用组分传输模型实现分解炉内煤粉燃烧与生料分解的耦合过程的数值模拟，得到了炉体内温度场、各组分浓度场等，并将上述相关数据与工况对比，论证了数值模拟的正确性。

DDF分解炉 耦合过程 组分场 数值模拟

0 引言

1 数学模型

图1 DDF分解炉物理模型[5]

本文中的研究对象为某公司日产4 500 t熟料生产线窑尾预分解系统中所用之DDF分解炉，该型分解炉是在DD分解炉(Dual Combustion and Denitration Precalciner)的基础上开发而成[5-6]。

对于本文中所研究的DDF分解炉，采用k-ε标准双方程模型，其湍流流动的控制方程组包括：连续性方程、x，y，z三个方向的动量方程、湍流动能k和湍流耗散率ε输运方程，其封闭的微分方程组可以写成如下统一形式[7-11]：

(1)

上述方程中φ为因变量(分别为各向速度u、v、w和湍流动能k及湍流耗散率ε)，Гφ为扩散系数。方程左侧为对流项，方程右侧前三项为扩散相，最后一项Sφ为源相。对于特定的φ具有特定的量Sφ和Гφ。

煤粉的燃烧主要是固定碳的燃烧和挥发分的燃烧。表1为煤粉工业分析及元素分析表。

表1 煤粉工业分析及元素分析

对于生料的分解反应，采用组分传输模型进行数值模拟。

2 分解炉工况参数及边界条件

2.1 分解炉边界条件

《辞源》、《辞海》关于银河的解释，“古谓之云汉，又名天河、天汉”，天河就是汉水。汉水又叫沔水。沔、奶古音同声转注，沔可读为奶（mi），奶即“咪咪”；“咪咪”就是“妈妈儿”的意思，而“妈妈儿”在汉水流域指的就是乳房。故沔水即奶水，意即沔水浇灌哺育一方苍生，是中国的母亲河。

表2 分解炉工况运行参数

2.2 煤粉粒径分布

煤粉的颗粒粒径分布如表3所示。

表3 煤粉颗粒的粒径分布统计

根据表3中对煤粉颗粒粒径的统计，对粒径分布的统计量拟合得到Rosin-Rammler分布。

3 煤粉燃烧与生料分解耦合数值模拟结果分析及验证

3.1 数值模拟结果分析

根据图2所示的z截面N2、CO2、O2、Vol平均摩尔分数及温度分布曲线可以从侧面反映出，分解炉内煤粉燃烧的情况。根据挥发分摩尔分数沿z向分布曲线，煤粉燃耗过程可以分为如下阶段范围，在z=0 m～6 m区域范围内，炉体区域中，只有由还原燃烧器进入炉体的煤粉，煤粉受热，其中的挥发分析出，但是由于窑尾烟气中O2含量较低，因此挥发分析出后发生反应的部分也较少，挥发分含量一直升高，此区域内由于生料分解，所以CO2含量升高，N2、O2含量均为下降趋势；在z=7 m附近区域，送煤风将大量煤粉由主燃烧器喷入炉体中，同时三次风入口1在该位置进入，三次风中富含大量O2，因此在该区域挥发分含量达到最大值；在z=7 m～20 m区域内，该区域为主燃烧区， 煤粉燃烧主要发生在给区域炉体空间， 挥发分含量迅速下降， O2作为反应物在三次风入口范围达到最大值，随后开始下降，反应产物CO2、N2含量逐步上升，燃烧反应稳定进行，这一点从温度分布也可以得到；在z=20 m附近范围，三次风入口2位于此位置，炉体内O2含量上升，达到最大值，而挥发分由于三次风的“稀释”及不断被反应，含量进一步降低；在z=20 m至出口区域，此区域被称为“再燃区”，为完全反应的可燃成分在此区域内继续反应，最终由出口离开分解炉。

图2 z截面N2、CO2、O2、Vol平均摩尔分数及温度

图3为分解炉z截面CaCO3及CaO平均摩尔分数分布及温度沿z向分布曲线。在z=3 m、7 m、21 m附近区域内，分解炉内CaCO3含量出现三个极值，这是由于从撒料箱投入大量生料颗粒，在高温气流的作用下，生料颗粒在悬浮态快速分解，导致z截面CaCO3含量出现迅速升降的趋势；在z=9 m～20 m、24 m至出口的炉体中、上部区域，炉体中的CaCO3含量缓慢下降。分解炉中大部分炉体CaO含量较为稳定，且整体呈上升趋势，CaCO3含量除生料投喂位置外，总体呈下降趋势，CaO为生料分解反应的产物，所以其含量变化是滞后于CaCO3的含量变化的。观察整个炉体空间的CaCO3及CaO的含量分布曲线，可以得到生料分解是发生于整个炉体空间的。

图3 z截面CaCO3及CaO平均摩尔分数分布及温度

3.2 与工况数据的对比

图4为该型分解炉工况运行时中控截图。分解炉上部炉体平均温度约为900℃～920℃，根据中控的截图显示，分解炉上部炉体温度为895℃，相对误差为0.5%～2.8%。

图4 DDF分解炉工况运行图

生料出口分解率可以用如下公式进行计算：

(2)

其中α为生料出口平均分解率，MfCaO为出口CaO摩尔分数，MfCaCO3为出口CaCO3摩尔分数。根据上式及组分场数据可以计算得到本次数值模拟生料分解率为95.27%，该型分解炉工况运行时的生料出口分解率通常为90%～95%之间，出口分解率计算的相对误差为0.28%～5.53%。

4 结论

1)通过对DDF型分解炉模型及工况过程的分析，选取了合适的计算模型，为采用数值模拟方法研究分解炉炉体内耦合流场提供了指导；

2)得到了该DDF分解炉煤粉燃烧与生料分解耦合过程的温度场、组分场，通过对数值模拟的方法分析了分解炉内原、燃料的物理化学变化过程；

3)数值模拟得到炉体出口平均温度为885℃，出口生料分解率为95.27%，对比该型分解炉的工况数据，相对误差分别为0.5%～2.8%及0.28%～5.53%，论证了本文所采用数值计算方法可靠性。

[1] 胡芝娟. 分解炉氮氧化物转化机理及控制技术研究[D]. 武汉：华中科技大学, 2004.

[2] 豆海建. 窑尾预分解系统热态流场的数值模拟算法与工程应用[D]. 武汉：武汉理工大学, 2009.

[3] 毛娅, 陈作炳, 陈定方, 等. 强化悬浮式分解炉内热态、冷态流场比较研究[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2007,31(4):696-698.

[4] 蔡鑫, 马永亮. 水泥预分解炉内流场及温度场的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2014,8(10):4349-4354.

[5] 陈作炳，汤帅，柳刚. DDF分解炉气固两相流场的数值模拟及优化[EB/OL].北京：中国科技论文在线 [2016-03-31].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/ 201603-463.

[6] 申金永, 姜斌, 张秒, 等. DDF分解炉脱硝系统的应用与分析[J]. 水泥, 2015(10):46-48.

[7] DOU H，CHEN Z，HUANG J. Numerical study of the coupled flow field in a double-spray calciner[C]//International Conference on Computer Modeling and Simulation, 2009:119-123.

[8] 邢宁宁. 基于Fluent软件模拟水泥分解炉热工过程[D].济南：济南大学, 2012.

[9] 李鹏飞, 徐敏义, 王飞飞. 精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011.

[10] 林建忠, 阮晓东, 陈邦国. 流体力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2013.

[11] LIU H，LIU W，ZHENG J. Numerical study of gas-solid flow in a precalciner using kinetic theory of granular flow[J]. Chemical Engineering Journal, 2004,102(2):151-160.

Numerical simulations on the coupling process of the combustion of coal powder and the decomposition of raw material in DDF precalciner

CHEN Zuobing，TANG Shuai，XIANG Qin

Taking the DDF precalciner of a 4 500 t/d cement clinker production line of a company as as research object, using the FLUENT software, the gas phase is expressed withk-εtwo-equation model. Numerical simulations on the coupling process of the combustion of coal powder and the decomposition of the raw material in precalciner were performed using component transport model. The data that calculated temperature field and concentration field of each component was consistent with the data under working condition. The results of comparing the correlation data with operating conditions show that the correctness of numerical simulation.

DDF precalciner, coupled process，component field，numerical simulation

TB126

A

1002-6886(2016)06-0045-04

陈作炳(1962-)，男，湖北孝感人，武汉理工大学机电学院博士，教授、博士生导师，主要从事建材装备及控制技术、机电一体化、节能环保技术等方面研究。 汤帅(1991-)，男，江苏淮安人，武汉理工大学机电学院硕士，硕士研究生，研究方向：建材装备及其虚拟现实技术。

2016-05-12