空氣分級對分解爐燃燒過程影響的模擬研究

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(1.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

空氣分級對分解爐燃燒過程影響的模擬研究

楊國華1，呂剛2，陳艷艷2，趙強(qiáng)2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

為研究分級條件下，分解爐內(nèi)溫度場、氧氣濃度場及NO濃度場的變化規(guī)律，利用數(shù)值模擬手段對5 000 t/d水泥分解爐的物理化學(xué)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明：在分級燃燒條件下，分解爐主燃燒區(qū)域的氧氣濃度明顯減少，燃燒溫度也相應(yīng)的降低，NO的生成量減少；在分級風(fēng)入口的上方存在一個(gè)高溫區(qū)，但在此區(qū)域NO濃度沒有明顯升高。分風(fēng)量增加，分解爐出口的NO濃度降低，分解爐內(nèi)生料的分解率和煤粉燃盡率均下降，但是分解爐出口的溫度有一定的升高，說明分級燃燒在一定程度上會(huì)影響水泥的生產(chǎn)過程，在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)合理選擇分風(fēng)比例。

分解爐；分級燃燒；煤粉燃燒；NO；數(shù)值模擬

水泥工業(yè)是繼電力、機(jī)動(dòng)車之后的氮氧化物第三大排放源。根水泥設(shè)計(jì)院對我國1 000～5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，水泥廠NOx排放的范圍為350～1 650 mg/Nm3，全國加權(quán)平均值約800 mg/m3。2004年我國頒布了水泥工業(yè)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，要求水泥廠NOx排放量不高于800 mg/Nm3。2011年底，工業(yè)和信息化部出臺(tái)了《關(guān)于水泥工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見》，要求在“十二五”末，水泥工業(yè)的氮氧化物排放量在2009年的基礎(chǔ)上降低10%。控制水泥行業(yè)NOx的排放對我國的節(jié)能減排乃至水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義，是水泥工業(yè)發(fā)展中一項(xiàng)艱巨的戰(zhàn)略任務(wù)。

在干法水泥生產(chǎn)工藝中，分解爐和回轉(zhuǎn)窯以及懸浮預(yù)熱器是完成熟料燒成的主要設(shè)備，而煤粉主要在分解爐和回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒，降低NOx排放的技術(shù)主要包括回轉(zhuǎn)窯的低NOx燃燒器、分解爐分級燃燒和選擇性非催化還原及選擇性催化還原等技術(shù)。分解爐的分級燃燒是通過調(diào)整煤粉燃燒工況降低NOx排放的有效手段[1-2]，該技術(shù)是將來自于冷卻熟料的熱三次風(fēng)分級進(jìn)入分解爐，在分解爐下部區(qū)域內(nèi)缺氧燃燒，形成還原區(qū)，一方面抑制煤粉的燃料型NOx的生成，另一方面還原掉來自于回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣中的NOx。分解爐的分級燃燒可以在不降低水泥窯爐經(jīng)濟(jì)性的條件下，降低水泥窯爐內(nèi)NOx的量，從而降低煙氣脫硝的運(yùn)行成本。

針對分解爐內(nèi)煤粉燃燒、生料分解等物理化學(xué)過程，國內(nèi)外研究者開展了大量深入的研究[3-4]，對于常規(guī)電站鍋爐分級燃燒條件下煤粉燃燒變化規(guī)律，也得到過較多的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究成果[5-7]，但是對水泥分解爐分級燃燒條件下的運(yùn)行情況的認(rèn)識(shí)還不夠深刻。本文采用數(shù)值模擬手段，對5 000 t/d熟料生產(chǎn)線的分解爐分級燃燒過程展開數(shù)值模擬研究，考察在分級燃燒條件下分解爐的氧氣濃度場、溫度場、NO濃度場的分布規(guī)律，并研究不同運(yùn)行工況下水泥生產(chǎn)的運(yùn)行可靠性，可為分解爐分級燃燒調(diào)整及后期的煙氣脫硝技術(shù)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

1.1 流動(dòng)模型

分解爐穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)動(dòng)量方程、連續(xù)方程、能量方程及k-ε方程組(柱坐標(biāo))[8]為

(1)

其中r、θ和z表示圓柱坐標(biāo)下的徑向、切向和軸向，φ代表因變量。左邊三項(xiàng)表示對流項(xiàng)，右邊前三項(xiàng)表示擴(kuò)散項(xiàng)，最后一項(xiàng)為源項(xiàng)。

1.2 煤粉燃燒和生料分解模型

煤粉的熱解模型采用雙平行反應(yīng)模型。煤焦燃燒速率用式(2)表示

(2)

式中Mp——顆粒的質(zhì)量；

p——?dú)怏w壓力；

dp——顆粒直徑；

Vox——固體顆粒周圍的O2式的分壓力；

kt——總化學(xué)反應(yīng)速率系數(shù)。

采用收縮核模型[5]模擬生料的分解(主要成分為碳酸鈣)

(3)

式中α——生料的分解率；

k0——分解反應(yīng)的速率常數(shù)/s-1；

E——反應(yīng)活化能;

R——通用氣體常數(shù)/J·mol-1·K-1,R=8.314；

T——生料的顆粒溫度/K；

pe——生料分解時(shí)的二氧化碳平衡壓力/Mpa;

p——CO2分壓/MPa；

Dp——生料的顆粒直徑/m；

t——反應(yīng)時(shí)間/s。

1.3 NO生成及還原模型

分解爐中燃料型NO的生成過程采用De’Soete[9]機(jī)理模型來描述，即

(4)

煤中燃料N的釋放速率與煤粉的熱解及煤焦燃燒時(shí)的質(zhì)量衰減速率Sp成正比，即

(5)

式中 27——組分HCN的分子量;

14——N元素的原子量;

HCN氧化反應(yīng)生成NO的反應(yīng)速率為[8]

(6)

式中Yi表示i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);O2的反應(yīng)級數(shù)b由De’Soete給定。生成的NO也可能被HCN還原而生成N2,其反應(yīng)速率為

RNO→N2=3×1012ρgYHCNYNOe-30000/Tg

(7)

焦炭對氣體中的NO也有還原作用，采用Levy[10]等人的模型，其速率為

RNO+char=41800e-33700/TgAcharpNO

(8)

式中Achar——焦炭的外比表面積;

pNO——NO在氣氛中的分壓力。

生料分解生成的CaO對NO的還原反應(yīng)也有催化作用[11]，反應(yīng)模型方程式如下：

(9)

其反應(yīng)速率如式(10)所示：

RNO+CaO=39816×108ρgYNOYCOe(-8920/Tg)

(10)

1.4 模擬對象及邊界條件

模擬對象為5 000 t/d分解爐，爐體采用200×80×150(軸向×徑向×切向)交錯(cuò)的均勻結(jié)構(gòu)化型式網(wǎng)格，在分解爐的下部入口、中部縮口、出口處，在切向和軸向均進(jìn)行局部加密。采用控制容積法來離散流體相的控制方程；采用混合差分格式來離散流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)；采用SIMPLER算法求解離散方程組的壓力與速度的耦合；采用TDMA逐面迭代求解；采用TDMA的擴(kuò)展形式CTDMA進(jìn)行循環(huán)迭代求解；采用數(shù)值積分方法求取常微分的顆粒相控制方程組的解析解[12]。

圖1 雙噴騰分解爐示意圖

數(shù)值求解邊界條件的所有數(shù)據(jù)均來自于水泥生產(chǎn)線的現(xiàn)場測量，其中入口邊界條件、煤粉顆粒的粒徑分布和成分分析、生料的粒徑分析和成分分析、以及窯尾煙氣成分分別如表1、2、3、4、5、和表6所示。

表1 各物質(zhì)流量和溫度

表2 煤粉顆粒粒徑分布

表3 煤樣的工業(yè)分析和元素分析

表4 生料顆粒粒徑分布

表5 生料的成分分析

表6 窯尾煙氣成分分析

2 網(wǎng)格與模型參數(shù)的驗(yàn)證

如上所述，采用上述網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格、數(shù)值計(jì)算模型及相關(guān)計(jì)算邊界條件對分解爐盡心模擬，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果如下表。

表7 數(shù)值計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值對比

從上表可以看出，采用上述數(shù)值計(jì)算模型，得到分解爐出口的O2、CO2濃度及NO濃度值偏差較小，其中CO2濃度、NO濃度及出口溫度的偏差均小于5%。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 速度場模擬結(jié)果分析

圖2為分級燃燒前后分解爐內(nèi)速度場的分布圖。由圖可知分解爐的窯尾煙氣入口和中部縮口處的氣流速度在整個(gè)流場中相對較大。在三次風(fēng)入口與分解爐中部縮口之間存在回流區(qū)?；亓鲄^(qū)可以促進(jìn)爐內(nèi)氣體的回旋流動(dòng)，使入爐的熱生料顆粒隨氣流運(yùn)動(dòng)變得曲折分散，形成爐內(nèi)的噴騰效應(yīng)。物料的噴騰效果可以增加顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間，增強(qiáng)爐內(nèi)的顆粒與熱煙氣之間的熱換熱，提高生料在分解爐的分解率。在分級燃燒時(shí)，由于三次風(fēng)的補(bǔ)充注入，在分三次風(fēng)入口區(qū)域產(chǎn)生了氣流高速區(qū)。爐內(nèi)的回流區(qū)域有一定程度的縮小，且中部縮口的氣流速度也有一定程度的降低，從而在一定程度上會(huì)減少生料在分解爐的停留時(shí)間。

圖2 分級燃燒對分解爐內(nèi)速度場分布的影響

圖3顯示了分級燃燒前后分解爐內(nèi)溫度場的分布規(guī)律。由圖可知，分風(fēng)后分解爐的主燃燒區(qū)變成了弱還原區(qū)，由于此處氧氣的濃度減少，煤粉的燃燒溫度也有一定程度降低，高溫區(qū)的面積也有一定的縮小。在分三次風(fēng)入口附近，未燃盡碳與分風(fēng)中的氧氣反應(yīng)，形成了第二個(gè)高溫區(qū)，但分風(fēng)區(qū)的溫度已有一定的降低，未燃盡碳的質(zhì)量有限，NOx并沒有大量的生成。

圖4給出了分解爐內(nèi)氧氣濃度的分布情況。由圖可知， 分解爐內(nèi)O2濃度最大處為在三次風(fēng)入口處，隨著分解爐位置的提高，煤粉的燃燒反應(yīng)消耗了大量的O2，O2濃度逐步減小。采用分級燃燒，由于分三次風(fēng)空氣流的加入，形成了一個(gè)高氧氣濃度區(qū)，未燃盡碳在補(bǔ)充氧氣的作用下繼續(xù)燃燒反應(yīng)，保證了分解爐內(nèi)煤粉的完全燃燒。

圖3 分級燃燒對分解爐內(nèi)溫度場分布的影響

0-180°截面分三次風(fēng)入口截面(0-180°截面)

圖5 分級燃燒對CO2濃度場分布的影響

圖6 分級燃燒對NO濃度場分布的影響

圖5為分級燃燒前后分解爐高度方向的CO2濃度變化的對比情況。由圖可知，分解爐內(nèi)的CO2濃度沿高度方向呈逐步增加。分解爐的三次風(fēng)是經(jīng)過熟料加熱后的熱空氣，在三次風(fēng)入口附近的CO2濃度較低。在三次風(fēng)上方，由于煤粉的燃燒和生料的分解，使得CO2濃度增加。在分級燃燒條件下，分解爐的主燃燒區(qū)域的CO2濃度低于分級前，這是因?yàn)榉旨壢紵龑?dǎo)致主燃燒區(qū)域煤粉燃燒不完全。在分風(fēng)入口區(qū)位置，氣氛中的CO2濃度被補(bǔ)充的新鮮熱空氣稀釋，但由于生料的分解和煤粉的燃燒，在分解爐的出口位置，分級前后的CO2濃度相差不多。

圖6給出了分風(fēng)前后分解爐NO濃度場的分布規(guī)律對比。由圖可知，在分解爐內(nèi)三次風(fēng)入口上方，由于氧氣濃度及溫度較高的區(qū)域由于煤粉的劇烈燃燒，NO濃度最高。在縮口位置以上區(qū)域，NO濃度在一定程度上出現(xiàn)降低的趨勢，原因是剩余的煤焦燃燒對還原NO的反應(yīng)更顯著。在分級燃燒條件下，主燃燒區(qū)域溫度及氧氣濃度降低，分解爐主燃燒區(qū)的NO濃度降低。熱三次風(fēng)補(bǔ)充進(jìn)入后，分風(fēng)口以上區(qū)域的NO濃度雖有升高，但此處的燃燒不夠劇烈，分解爐出口NO濃度不會(huì)大量升高。與未分級燃燒相比，分級燃燒分解爐分解爐的出口NO濃度明顯降低。

3.2 分解爐出口統(tǒng)計(jì)與分析

圖7給出了不同三次風(fēng)分風(fēng)比例下分解爐出口溫度與出口NO濃度的統(tǒng)計(jì)信息。從圖中可以看出，隨著分風(fēng)的增加，分解爐出口溫度呈上升的趨勢。當(dāng)分風(fēng)比例由0%增加到27%時(shí)，出口溫度可有860℃增加到910℃左右；與之相對應(yīng)，隨分風(fēng)比例增加，出口NO濃度由626 ppm降低到431 ppm，NO濃度減排量超過30%。

圖7 分風(fēng)比例對溫度和NO濃度的影響

圖8顯示了分解爐內(nèi)煤粉的燃盡率和生料的分解率隨三次風(fēng)分風(fēng)比例的變化規(guī)律。由圖可知煤粉的燃盡率隨分風(fēng)比例的增加略有降低；生料的分解率降低較多，從最初的93.6%降低至87.7%。在水泥生產(chǎn)過程中，分解爐的煤粉殘留物隨生料分解產(chǎn)物進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯可進(jìn)一步燃燒而利用其熱量，未分解的生料也可進(jìn)一步分解形成CaO及SiO2等氧化物。因分風(fēng)后生料分解率的降低程度遠(yuǎn)大于煤粉燃盡率的降低程度，因此采用分級燃燒，在一定程度上可增加水泥分解爐內(nèi)的煤耗。另外，水泥分解爐分解率的下降會(huì)加重回轉(zhuǎn)窯的負(fù)擔(dān)，而且由于回轉(zhuǎn)窯的傳熱效率遠(yuǎn)不如分解爐，不僅總體熱耗增加，窯的產(chǎn)量也會(huì)有一定程度的降低，因此在進(jìn)行分解爐分級燃燒改造時(shí)，應(yīng)合理配置分風(fēng)比例。

圖8 分風(fēng)比例對生料和煤粉反應(yīng)率的影響

4 結(jié)論

本文對5 000 t/d水泥分解爐空氣分級燃燒前后的溫度場、CO2、O2及NO濃度場的變化規(guī)律展開了數(shù)值模擬研究。得到如下研究結(jié)論：

(1)空氣分級條件下主燃燒區(qū)域的氧氣濃度明顯降低，限制了煤粉的燃燒速率，分解爐主燃燒區(qū)域的溫度也有一定程度的下降，從而引起煤粉燃燒過程中NO生成量的減少。在分三次風(fēng)入口上方會(huì)形成第二個(gè)高溫區(qū)，在此區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生NO的大量生成。

(2) 隨著分風(fēng)比例的增加，分解爐出口溫度有一定的上升。煤粉的燃盡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顯，說明空氣分級在一定程度上可增加分解爐的煤耗。

[1]呂剛.水泥分解爐內(nèi)NO生成和還原機(jī)理的實(shí)驗(yàn)及模擬研究[D]:[博士學(xué)位論文].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[2]宋正華,邢國梁,楊正平.新型干法水泥窯氮氧化物脫除技術(shù)[J].水泥技術(shù),2009,6:73-74.

[3]陳定千,沈來宏,肖軍,等.水泥改進(jìn)鐵礦石載氧體的煤化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(20)：40-45.

[4]耿宗俊,邢寧寧,趙蔚琳.三噴騰DD分解爐內(nèi)煤粉燃燒的數(shù)值模擬研究[J].硅酸鹽通報(bào),2013，32(5):908-912.

[5]王強(qiáng)，夏成軍，唐智文.分布式能源在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的可行性探析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2013,29(9):87-91.

[6]王正陽,譚羽非,孫紹增,等.復(fù)合分級燃燒對四角切圓鍋爐NOx排放特性的影響[J].節(jié)能技術(shù),2012,30(6)：504-507.

[7]劉克軍,徐杰,孔令軍,等.低揮發(fā)分煤低NOx燃燒技術(shù)研究與開發(fā)[J].節(jié)能技術(shù),2012,30(1):15-19.

[8]黃來,陸繼東,胡芝娟,等.分解爐中NO生成模擬與優(yōu)化研究.化工學(xué)報(bào),2006,57(11):2624-2630.

[9]DE SOETE G G. Heterogeneous N2O reactions related to combustion[J]. Proceedings of the Fifth International Workshop on Nitrous Oxide Emissions, 1992: 199-222.

[10]LEVY J M, CHAN L K, SAROFIM A F, BEER J M. NO/char reactions at pulverized coal flame conditions[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 1981, 18(1):111-12.

[11]TSUJIMURA M, FURUSAWA T, KUNII D. Catalytic reduction of nitric oxide by carbon monoxide over calcined limestone[J]. Journal of chemical engineering of Japan, 1983, 16: 132-136.

[12]謝新華, 陸繼東, 呂剛, 胡芝娟, 唐新宇, 蔡呂清. 分解爐NOx生成還原計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2013,25(1)：41-46.

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修訂稿日期2014-07-10

楊國華(1979～)，男，博士研究生，研究方向?yàn)槊悍廴紵^程的數(shù)值模擬。

TK16

A

1002-6339 (2014) 04-0312-06