回转窑煤粉分级燃烧NOx 排放的数值模拟

张林进，唐 丹

（江苏中圣园科技股份有限公司，江苏 南京211102）

回转窑是石灰、 水泥生产装备中比较先进的窑型，因其具备生产能力大、原燃料适应性强、成品质量均匀稳定、机械化程度高等优点，而被广泛应用于钢铁、冶金、煤化工等行业[1-2]。 回转窑窑头采用单支多通道燃烧器进行集中燃烧，燃烧温度高，且燃料中带入含氮化合物， 尾排烟气中NOx含量普遍偏高[3]。近年来，多通道燃烧器朝着强湍流、强回流、强旋流、浓缩燃烧、大推力方向发展，消除局部高温，形成局部还原环境，可降低烟气NOx排放[4-5]。但随着日益严苛的国家、行业及地方标准的出台，采用低氮燃烧器的石灰回转窑仍面临NOx排放超标的问题， 这将成为制约正常生产的关键因素。 国内部分石灰生产企业开始着手采用SNCR 脱硝、SCR 脱硝、湿法脱硫脱硝一体化技术进行NOx减排， 属于燃烧后NOx控制手段， 而对燃烧过程中NOx减排技术的研究及应用甚少。

本文针对石灰回转窑窑尾分级燃烧技术， 采用Fluent 软件对煤粉分级燃烧进行模拟计算， 探讨烟气氧含量、 煤粉分配比例等工艺参数对NOx排放的影响规律， 进而确定石灰回转窑采用窑尾分级燃烧技术的实施方案。

1 NOx 生成机理

煤粉燃烧过程中所产生的NOx， 主要是NO 和NO2，其中NO 约占90%以上，而NO2只占5%～10%，因而在研究煤粉燃烧过程中的NOx生成时， 一般主要讨论NO 的生成机理。 从NO 的生成机理来看，主要有热力型、燃料型和快速型三种[6-8]。热力型NOx是由于燃烧空气中N2在高温下氧化而产生的，随着反应温度T 的升高， 其反应速率按指数规律增加，当T<1300 ℃时，NOx的生成量很少， 而当T>1300 ℃时，T 每增加100 ℃，反应速率增大6～7 倍。 燃料型NOx主要是由燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化生成NOx。 由于煤粉中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600～800 ℃时，含氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN 等中间产物基团，然后被氧化成NOx。 由于煤粉的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成， 故燃料型NOx的形成也由挥发份氮的氧化和焦炭氮的氧化两部分组成。 快速型NOx不同于热力型、燃料型NOx，主要通过燃料燃烧时产生的CH 原子团撞击N2分子，生成CN 类化合物中间产物，如HCN。 再进一步被氧化而生成NOx。 对煤粉燃烧而言，快速型NOx与热力型NOx及燃料型NOx相比，其生成量少得多，一般占总NOx生产量的5%以下。

2 回转窑分级燃烧计算模型

2.1 分级燃烧技术简介

石灰回转窑分级燃烧技术是通过分配一部分燃料（总燃料量的5%～30%）到回转窑窑尾燃烧，提高预热器内石灰石的预热温度， 减少回转窑燃烧器的煤粉量，从而降低回转窑内的燃烧温度，减少热力型NOx的生成，同时窑尾燃料处于低氧燃烧、局部欠氧燃烧状态，一方面可以控制局部燃烧温度，抑制热力型NOx的生产， 另一方面可以还原窑头燃烧烟气中已生成的NOx。

预热器下料溜槽处设置4 根喷煤枪，喷枪沿圆周均布，将原回转窑总煤粉量的5%～30%送入预热器下部锥段进行燃烧。 煤粉量独立计量，以精确控制窑尾煤粉分配比例，确保窑内燃烧的稳定性。 根据预热器的工艺特点， 该处不会有大量的石灰石物料积聚，只有当下料推头动作时，石灰石物料从此处下料进入溜槽并送入回转窑，同时，通过结构设计，保证煤粉喷枪出口具备一定的燃烧空间，减少煤粉燃烧受石灰石物料运动的影响。 分级燃烧工艺如图1 所示。

2.2 几何模型及网格

几何模型依据400TPD 回转窑1∶1 构建，包含回转窑筒体、预热器溜槽、下料口以及出口环管等计算空间，窑头燃烧不在本研究范围内。几何模型及网格模型如图2、图3 所示，总网格数约175 万。

图1 分级燃烧工艺示意图

图2 几何模型

图3 网格模型

2.3 数学模型

本模型涉及到流动、燃烧及NOx生成等，因此其控制方程包括连续性方程、动量方程、能量守恒方程及组分质量守恒方程等[9-10]。

连续性方程：

式中：ρ—气体的密度，kg/m3

U—气体的速度，m/s

np—单位体积内的颗粒数，m-3

m—颗粒质量的转变速率，kg/s

动量方程：

式中：μ—动力黏度，Pa·s

μt—湍流黏度，Pa·sp—压强，Pa

k—湍动能，m2/s2

fD—颗粒的阻力，N

k-ε 双方程：

包括湍动能方程及湍动能耗散率方程

式中：σk、σε、Cε1、Cε2—经验常数， 一般分 别 取 值为σk=1.0，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92

Gk—湍动能产生项，kg/（s3·m）

能量方程：

式中：H—焓，J/kg

λ—导热系数，W/（m·K）

cp—粒子的比热容，J/（kg·K）

σH—经验常数

q—粒子的热传导量，W

组分方程：

式中：Yi—组分i 的质量分数

Γi—组分i 的扩散系数

Wi—组分i 的化学反应速率，kg/（m3·s）

2.4 边界条件

整个模型采用流动RNG 的k-ε湍流模型，采用标准壁面方程，燃烧采用涡耗散模型，边界条件采用进口速度边界、出口压力边界，煤粉颗粒为离散相形式以一定速度垂直煤粉枪入口进入窑尾。 设定不同烟气氧含量，模拟窑内不同燃烧工况，并考察不同煤粉分配比例对尾排烟气NOx含量的影响规律， 具体工况条件如表1 所示。

表1 工况条件

3 模拟结果及分析

以工况2 为例，采用Fluent 软件进行数值计算后的结果如图4 所示，（a）～（d）分别为纵截面速度矢量图、流线图、温度云图及NOx浓度分布图。

图4 工况2 模拟结果图

从图4（a）、4（b）可以看出，煤粉进入预热器下部锥段之后，形成一大一小两个回旋区，提高了煤粉颗粒在预热器中的停留时间，有助于煤粉的完全燃烧；图4（c）中，煤粉喷枪附近，存在着上下两个相对高温区，与（a）与（b）所示的回旋区吻合，同时，由于出口环管采用了渐扩管的形式，预热器上部温度分布比较均匀， 有助于石灰石在预热器中的均匀受热；从图4（d）可以看出，NOx大量生成的区域存在于整个计算域的高温区， 即煤粉大量燃烧的区域，这与理论是相符的。

3.1 煤粉燃尽率

5 种工况条件下的烟气出口平均温度为1400 K 左右，且随着煤粉量的增加而有所增加，这与实际工程数据有一定区别， 其主要原因是模型中未耦合计算石灰石吸热分解过程， 热量增加导致出口烟温升高。 图5 是不同工况条件下的煤粉燃尽率变化曲线图。 可以看出，5 种工况下，煤粉燃尽率均较高，达到90%以上，仅有少量煤粉未完全燃烧，同时，在实际工程中，煤粉随烟气进入石灰石料层后，将大量被拦截，进而继续燃烧，故采用回转窑窑尾分级燃烧技术可以保证煤粉燃尽率。

图5 燃尽率变化曲线图

3.2 烟气NOx 含量

图6 是不同工况条件下的烟气NOx含量变化曲线图。

图6（a）是在保持恒定的窑尾煤粉分配率的条件下， 烟气NOx含量随窑头燃烧烟气中氧含量变化曲线图。 可以看出，随着烟气中氧气含量的减少，出口NOx浓度明显减少，由243 mg/m3降低至177 mg/m3，说明NOx的生成与氧含量有着十分显著的关系，因此在实际生产应用中，在保证冷却风量、助燃风量的前提下，尽可能降低窑头燃料的空燃比，使得窑头燃烧烟气中的氧含量尽量减少以满足分级燃烧氧含量要求， 这也是通过燃烧工艺控制NOx排放的常用手段[11]。

图6 出口NOx 浓度变化曲线图

图6（b）是在保持恒定的窑头燃烧烟气氧含量条件下， 烟气NOx含量随窑尾煤粉分配比例的变化曲线图。 可以看出， 随着喷入煤粉量的增加， 出口NOx浓度也随着增加，达到332 mg/m3，主要原因是由于煤粉量的增加， 燃料中的含氮化合物总量随之增加，导致形成的NOx总量有所增加。 同时，可以看出，随着煤粉量的进一步增加，其NOx浓度的增加速率在变缓，其主要原因是随着煤粉量的增加，窑尾的欠氧燃烧条件越好， 致使部分已形成的NOx与燃料发生还原反应生成N2，因此其NOx的增加速率在放缓，同时考虑的窑头煤粉燃烧所生成的NOx，适当增加窑尾的煤粉量有助于减少整体NOx的排放。

4 结论

（1）回转窑窑尾分级燃烧技术不影响预热器气流分布及石灰石受热的均匀性， 同时煤粉的燃尽率能够得到保证，具备工程实践基础。

（2）在保证窑头煤粉燃烧状况良好的前提下，应尽可能地降低空燃比，保证烟气中氧含量＜3%，有助于减少NOx的生成。

（3）在保证煤粉燃尽率的前提下，根据实际热量需求情况，可以适当增加窑尾煤粉量，有助于减少回转窑整体NOx的排放。

（4）本研究未针对煤粉粒径、窑头燃烧、石灰石吸热分析，后续研究需进行全局模拟计算，全面分析工艺参数对NOx的影响， 为窑尾分级燃烧技术的应用提供理论基础。