渦旋式分解爐中煤及垃圾衍生燃料共燃燒耦合CaCO3分解的數(shù)值模擬

梅書霞，謝峻林，陳曉琳，李雪梅，裴可鵬，何峰

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渦旋式分解爐中煤及垃圾衍生燃料共燃燒耦合CaCO3分解的數(shù)值模擬

梅書霞，謝峻林，陳曉琳，李雪梅，裴可鵬，何峰

（武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070）

針對(duì)一實(shí)際尺寸的帶下置渦流室的分解爐進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了煤、垃圾衍生燃料（RDF）兩種燃料共燃與碳酸鈣分解相耦合的化學(xué)反應(yīng)過程。計(jì)算所得煤粉及RDF燃燼率分別為99%和100%，碳酸鈣分解率為95%，與工程實(shí)際數(shù)據(jù)吻合較好。結(jié)果表明：煤粉自渦流室頂部入爐后，先向下俯沖，再在氣流的攜帶下轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)，在分解爐柱體部分螺旋上升，其燃燒時(shí)以焦炭燃燒占主導(dǎo)，在渦流室上方的錐體部分及錐體部分上方的下半柱體部分形成主燃區(qū)；RDF自分解爐柱體部分下部水平入爐后，先運(yùn)動(dòng)至中部，旋即與煤粉流交織在一起螺旋上升，其燃燒時(shí)以揮發(fā)分燃燒占主導(dǎo)，在分解爐下半柱體部分形成主燃區(qū)；CaCO3自渦流室頂部入爐后，首先在渦流室及其下方的錐體部分做渦旋運(yùn)動(dòng)，一部分因吸收高溫氣流的熱量而分解，剩余大部分上旋至燃料主燃燒區(qū)，因吸收燃燒所釋放的熱量而分解；燃料燃燒放熱與CaCO3吸熱分解相耦合后，最終在分解爐柱體部分形成了均勻、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。

分解爐；垃圾衍生燃料；煤燃燒；共燃；碳酸鈣分解；化學(xué)反應(yīng)；數(shù)值模擬

引 言

垃圾衍生燃料（refuse derived fuel，RDF）作為一種可替代燃料在水泥生產(chǎn)過程中的應(yīng)用備受國外企業(yè)和政府的推崇[1-3]，近年來在我國也開始引起了重視[4-6]，但目前大多數(shù)被應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯中[7-9]，極少應(yīng)用于水泥分解爐中。這主要是由于RDF與煤粉差異較大，當(dāng)RDF替代一部分煤粉噴入分解爐中與煤粉共燃時(shí)，分解爐中的流場(chǎng)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的變化，有可能會(huì)出現(xiàn)局部高溫或者整體低溫，甚至產(chǎn)生燃燒不完全的現(xiàn)象。為了避免RDF的加入可能會(huì)對(duì)分解爐流場(chǎng)帶來的不利影響，有必要探明分解爐中煤粉、RDF共燃與生料分解相耦合的作用機(jī)制及相應(yīng)的流場(chǎng)分布特點(diǎn)。

研究者針對(duì)RDF與煤的混燒特性展開了相關(guān)研究工作，但針對(duì)的大都是煤粉爐[10]或流化床[11-13]。分解爐與流化床相比存在很大差異，它是一個(gè)高溫氣固反應(yīng)器，燃料與生料被高溫氣流所攜帶，在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生燃燒與分解耦合反應(yīng)。為了研究這種在復(fù)雜的流場(chǎng)中所進(jìn)行的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，數(shù)值模擬成為了分解爐研究設(shè)計(jì)中不可或缺的工程研究手段[14-16]，其中一部分研究工作針對(duì)分解爐中煤粉燃燒與碳酸鈣分解耦合過程而開展[17-19]，但所考察的燃料只有煤粉，未涉及RDF。本課題組在前期的研究中，對(duì)分解爐中煤粉與RDF的混合運(yùn)動(dòng)特性[20]及混燃[21]、共燃[22]問題進(jìn)行了探討，但并未深入研究煤粉、RDF共燃燒與碳酸鈣分解耦合過程。

鑒于此，本文借助工程上廣泛應(yīng)用的CFD商業(yè)軟件Ansys Fluent，針對(duì)一使用了RDF作為替代燃料的實(shí)際尺寸的5000 t·d-1的渦旋式分解爐建立模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，首先分析了“風(fēng)”（三次風(fēng)和煙氣）的流動(dòng)特性，接著追蹤了被“風(fēng)”所攜帶的燃料（煤粉和RDF）和生料（主要成分為CaCO3）的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)一步地，剖析了煤粉與RDF的燃燒機(jī)理及CaCO3的分解過程，最終探明了煤粉、RDF共燃燒與CaCO3分解相耦合的作用機(jī)制。研究結(jié)果為深入了解煤粉與RDF在分解爐中的共燃過程提供了理論指導(dǎo)，并為進(jìn)一步研究RDF在水泥分解爐中的合理使用奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)于降低化石燃料的使用量并合理處置城市生活垃圾來說具有重要的實(shí)際工程意義與社會(huì)價(jià)值。

1 模型與數(shù)值解法

1.1 幾何模型

圖1（a）為所研究的渦旋式分解爐的結(jié)構(gòu)。該分解爐由底部錐體部分、與錐體部分相連接的渦流室、與渦流室相接連的上錐體部分和柱體部分以及與柱體部分相連接的鵝頸管部分所組成。其中，來自窯尾的煙氣自底部豎直向上進(jìn)入分解爐底部錐體部分，助燃三次風(fēng)沿爐壁以切線方向進(jìn)入渦流室內(nèi)，以形成強(qiáng)旋流效應(yīng)；兩股煤粉流自位于渦流室頂部的噴煤管中射入，其中噴煤管與豎直方向呈60°角；RDF自柱體部分下部被水平吹入爐內(nèi)，其進(jìn)口為方形；生料自渦流室頂部落入爐中。對(duì)該分解爐進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1（b）所示。其中在渦流室部分采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，其余部分均采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格。

圖1 分解爐結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)連續(xù)相（氣相）采用Euler坐標(biāo)系下的Realizable-雙方程湍流模型，該模型是標(biāo)準(zhǔn)-模型的修正版，差異在于增加了一個(gè)湍流黏性方程，可以較好地適應(yīng)強(qiáng)旋流、強(qiáng)彎曲等湍流現(xiàn)象，比較適合于本分解爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

采用離散相模型（discrete phase model）及隨機(jī)軌道模型進(jìn)行顆粒相（煤粉/RDF、生料）的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算。假定顆粒為球形，通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。鑒于顆粒相在分解爐中為稀相，因此忽略顆粒間的相互作用，不考慮作用在顆粒上的Saffman升力、附加質(zhì)量力等。

采用組分運(yùn)輸模型（species transport model）結(jié)合渦耗散概念模型（EDC）來模擬燃料（煤粉/RDF）燃燒及生料（只考慮主要成分CaCO3）分解耦合過程。具體模型參數(shù)見文獻(xiàn)[18]。

1.3 邊界條件及初始條件

各初始條件皆來自于實(shí)際生產(chǎn)線的中控室數(shù)據(jù)和相關(guān)熱工標(biāo)定結(jié)果。三次風(fēng)進(jìn)口和煙氣進(jìn)口均采用均勻分布速度邊界條件，其中初始三次風(fēng)速度為25 m·s-1，溫度為1300 K；初始煙氣速度為13 m·s-1，溫度為1316 K；出口采用壓力出口邊界；煤粉和RDF的總質(zhì)量流量分別為4.2 kg·s-1和2 kg·s-1；生料的總質(zhì)量流量為70 kg·s-1。煤/RDF的工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量以及生料的成分分析數(shù)據(jù)見表1～表3。

表1 煤粉/RDF的工業(yè)分析

表2 煤粉/RDF的元素分析和發(fā)熱量

表3 生料的成分分析

1.4 數(shù)值解法

流體在壁面采用無滑移的邊界條件，近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。對(duì)于流體相的控制方程采用控制容積法進(jìn)行離散，使用二階迎風(fēng)差分格式得出差分方程組。對(duì)于離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法求解。采用TDMA進(jìn)行逐面迭代求解，收斂標(biāo)準(zhǔn)為能量項(xiàng)殘差小于10-6，其余各殘差小于10-3。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

表4列出了鵝頸管處氣體成分的熱工標(biāo)定檢測(cè)值（由“國家建筑材料工業(yè)水泥能效環(huán)保評(píng)價(jià)檢測(cè)測(cè)試中心”測(cè)定）與模型預(yù)測(cè)值。由表可見，模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)吻合得很好，表明模擬結(jié)果的可信性。

表4 分解爐鵝頸管處氣體成分分析

2.2 分解爐流場(chǎng)特性分析

圖2為渦流室中氣流速度矢量圖，圖3為氣流流線圖。結(jié)合圖2、圖3分析三次風(fēng)的流動(dòng)特性可見：三次風(fēng)自側(cè)面入爐后，首先在渦流室部分橫向旋轉(zhuǎn)（圖2），形成渦流，而后在向上氣流的帶動(dòng)下沿著分解爐柱體部分的壁面螺旋上升[圖3(a)]。

結(jié)合圖2(a)、圖3(b)分析煙氣的流動(dòng)特性可見：煙氣自分解爐底部豎直向上入爐，形成噴騰效應(yīng)，在經(jīng)過渦流室時(shí)，被橫向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)著的三次風(fēng)所帶動(dòng)，最終在分解爐柱體部分圍繞著中心縱軸線旋轉(zhuǎn)上升。所模擬出的這種氣流流動(dòng)特性與文獻(xiàn)[23]中通過冷態(tài)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，表明模擬結(jié)果的合理性。

圖4為顆粒軌跡圖，其中圖4(a)為燃料（煤粉、RDF）的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖4(b)為生料的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖4(a)分析燃料的運(yùn)動(dòng)軌跡可見：兩股煤粉自渦流室頂部入爐后，先向下俯沖，再在氣流的攜帶下轉(zhuǎn)而上升，最終煤粉在分解爐柱體部分呈螺旋上升狀；RDF自分解爐柱體部分下部水平入爐后，先水平運(yùn)動(dòng)至中部，旋即在氣流的攜帶下與煤粉流交織在一起螺旋上升。由圖4(b)分析生料流的運(yùn)動(dòng)軌跡可見：兩股生料流自渦流室頂部落入后，一部分在渦流室中旋轉(zhuǎn)，一部分下旋至下方的錐體部分，最終皆在向上氣流的攜帶下貼著壁面螺旋上升。

圖2 渦流室中氣流速度矢量圖

圖3 氣流流線圖

圖5為向上顆粒平均濃度曲線。由圖5分析顆粒聚集情況。首先觀察燃料流平均濃度曲線可見：兩股煤粉流在渦流室部分形成兩個(gè)高濃度區(qū)，其一位于-2.87 m處，為其中一股煤粉流聚集所形成，峰值較小，另一個(gè)高濃度區(qū)位于-0.83 m處，為兩股煤粉流疊加所產(chǎn)生，濃度較高；RDF在分解爐柱體部分下部形成一個(gè)峰值相對(duì)較低的高濃度區(qū)，位于3.27 m處。再觀察生料流的平均濃度曲線可見：生料在渦流室及其上方的錐體部分高度聚集，在-0.83 m處形成峰值；在柱體部分，顆粒濃度隨高度的上升而平穩(wěn)增加，這是由于顆粒橫向運(yùn)動(dòng)程度隨分解爐高度上升而增強(qiáng)所致[圖4(b)]；從柱體部分過渡至鵝頸管部分時(shí)，形成顆粒濃度峰值（28.8 m處），這是由于在此處分解爐橫截 面積發(fā)生突變而導(dǎo)致生料流橫向運(yùn)動(dòng)加劇所致 [圖4(b)]。

圖4 顆粒軌跡圖

圖5 Z向上顆粒平均濃度曲線

2.3 煤與RDF燃燒特性分析

雖然煤粉與RDF這兩種燃料存在差異，但可將RDF比擬為一種具有高揮發(fā)分的煤（表1），故而，兩種燃料的燃燒過程皆可分為兩部分，即揮發(fā)分釋放/燃燒過程和焦炭燃燒過程。

圖6為向上煤中揮發(fā)分及焦炭燃燒速率曲線。分析煤粉的燃燒機(jī)理可知：煤粉進(jìn)入渦流室后[圖4(a)]，迅速釋放出揮發(fā)分并燃燒，在高煤粉濃度區(qū)達(dá)到最高揮發(fā)分燃燒速率（-0.83 m處，圖5、圖6）；在3.27 m處時(shí)揮發(fā)分基本燃燒完成；隨著揮發(fā)分的迅速釋放，焦炭開始燃燒（-0.83 m處）；隨著揮發(fā)分逐漸燃燒殆盡，焦炭的燃燒速率逐漸增大，在2.24 m處達(dá)到第1個(gè)速率峰值，并在4.29 m處達(dá)到最高速率峰值；之后，隨著焦炭逐漸燃燒殆盡，其燃燒速率逐漸降低，直至16 m時(shí)，反應(yīng)基本完成。

圖6 Z向上煤中揮發(fā)分及焦炭燃燒速率曲線

圖7為向上RDF中揮發(fā)分及焦炭燃燒速率曲線。分析RDF的燃燒機(jī)理可知：RDF入爐后，旋即在高濃度區(qū)迅速釋放出揮發(fā)分并燃燒（3.27 m處，圖5、圖7），在4.29 m處達(dá)到最高燃燒速率；在6.34 m處燃燒完全；隨著揮發(fā)分迅速釋放出來，焦炭亦同時(shí)開始迅速燃燒（3.27 m），在稍滯后于揮發(fā)分燃燒速率峰值處達(dá)到最高燃燒速率（5.31 m），在6.34 m處與揮發(fā)分同時(shí)燃燒完成。

結(jié)合表1、圖6、圖7對(duì)比煤粉與RDF的燃燒過程可見：因?yàn)槊悍壑泄潭ㄌ己扛撸虼嗣喝紵龝r(shí)主要以固定碳燃燒為主，其燃燒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，故所對(duì)應(yīng)的燃燒路線也較長(zhǎng)（圖6，-2 m＜＜16 m）；而RDF中揮發(fā)分含量很高（表1），因而其燃燒時(shí)以揮發(fā)分燃燒為主，其燃燒時(shí)間短，故所對(duì)應(yīng)的燃燒路徑較短（圖7，3.27 m＜＜6.24 m）。最終，計(jì)算所得煤粉燃燼率達(dá)到99%，RDF燃燼率達(dá)到100%，與實(shí)際工程數(shù)據(jù)吻合較好。

圖7 Z向上RDF中揮發(fā)分及焦炭燃燒速率曲線

2.4 煤、RDF共燃燒與CaCO3分解耦合

圖8為縱切面上CaCO3、CaO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖，圖9為向上CaCO3、CaO和CO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線。結(jié)合圖8、圖9可見，在渦流室部分CaCO3濃度很高，且有CaO存在[圖8(b)]，這表明在該處有一部分CaCO3分解成了CaO，這是由于CaCO3吸收了渦流室中高溫氣流的熱量而分解所致；在渦流室上方的錐體部分及錐體部分上方的下半柱體部分（1.22 m＜＜6.34 m），CaCO3濃度急劇下降，而CaO和CO2濃度則迅速升高，這一濃度范圍所對(duì)應(yīng)的區(qū)間為燃料主燃燒區(qū)（圖6、圖7），表明CaCO3吸收了燃料燃燒所釋放的熱量而大量分解了；之后，顆粒繼續(xù)往上運(yùn)動(dòng)，CaCO3濃度的下降速率以及CaO和CO2濃度的上升速率開始逐漸降低直至趨于穩(wěn)定，表明CaCO3分解速率逐漸降低直至反應(yīng)趨于完全。

圖8 縱切面上CaCO3、CaO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖9 Z向上CaCO3、CaO和CO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

圖10、圖11分別為縱切面上溫度云圖和向上平均溫度曲線。由圖10可見，在渦流預(yù)燃室部分，溫度梯度比較大，溫度很高；在柱體部分，隨著分解爐高度增加，溫度梯度逐漸降低，直至溫度趨于穩(wěn)定。由圖11可見：當(dāng)-8 m＜≤-0.83 m時(shí)，爐內(nèi)平均溫度呈迅速下降趨勢(shì)，這是由于高溫氣流的熱量被CaCO3吸收所致；當(dāng)-0.83 m＜≤1.22 m時(shí)，爐內(nèi)溫度不再下降轉(zhuǎn)而開始上升，這是由于煤粉中的揮發(fā)分開始燃燒放熱所致（圖6）；當(dāng)1.22 m＜≤3.27 m時(shí)，溫度上升速率顯著增加，這是由于煤中焦炭開始燃燒放熱所致（圖6）；當(dāng)3.27 m＜≤5.31 m時(shí)，爐內(nèi)溫度繼續(xù)升高，在此區(qū)間煤粉與RDF劇烈燃燒放熱（圖6、圖7），但同時(shí)CaCO3迅速分解吸熱，故而在此區(qū)間平均溫度的上升速率反而有所降低；當(dāng)＞5.31 m時(shí)，煤粉和RDF的燃燒反應(yīng)速率越來越低（圖6、圖7），而剩余CaCO3則繼續(xù)吸熱分解（圖9），最終爐內(nèi)溫度開始逐漸降低，直至趨于穩(wěn)定，表明燃料燃燒放熱反應(yīng)及CaCO3吸熱分解反應(yīng)皆趨于完全。最終計(jì)算所得CaCO3分解率約為95%，與實(shí)際熱工數(shù)據(jù)吻合較好。

圖10 縱切面上溫度云圖

圖11 Z向上平均溫度曲線

3 結(jié) 論

（1）自側(cè)面切向入爐的三次風(fēng)與自底部豎直向上入爐的煙氣在渦流室中分別形成橫向渦流效應(yīng)和縱向噴騰效應(yīng)。當(dāng)兩種氣流相遇后，互相影響，最終在分解爐柱體部分形成螺旋上升狀的氣流場(chǎng)。

（2）煤粉自渦流室頂部入爐后，揮發(fā)分很快釋放出來并迅速燃燒，同時(shí)焦炭開始逐漸著火燃燒。隨著揮發(fā)分逐漸燃燒完全，焦炭燃燒速率迅速增大，在分解爐柱體部分下部達(dá)到最高值；之后，焦炭的燃燒速率逐漸降低，直至反應(yīng)完全，其總體燃燒路徑較長(zhǎng)。

（3）RDF自分解爐下半柱體部分水平入爐后，迅速釋放出大量揮發(fā)分，所釋放出的揮發(fā)分及殘余焦炭同時(shí)燃燒，并同時(shí)反應(yīng)完全，但反應(yīng)過程以揮發(fā)分燃燒占主導(dǎo)，總?cè)紵窂捷^短。

（4）CaCO3自渦流室頂部落入分解爐中后，在氣流的攜帶下沿著渦流室壁面旋轉(zhuǎn)，因吸收了高溫氣流的熱量而開始分解；隨著CaCO3上升至渦流室上方的錐體部分和柱體部分，其開始吸收該區(qū)域燃料（煤粉／RDF）燃燒所釋放出的大量熱量而迅速分解；當(dāng)CaCO3經(jīng)過燃料主燃燒區(qū)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，分解反應(yīng)速率開始逐漸減慢，直至基本反應(yīng)完全。

符 號(hào) 說 明

Mad，Aad，Vad，F(xiàn)Cad——分別為燃料的空氣干燥基水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳的含量 Cdaf，Hdaf，Odaf，Ndaf——分別為燃料的干燥無灰基碳、氫、氧、氮元素含量 Qnet,daf——干燥無灰基低位發(fā)熱量，MJ·kg-1

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Numerical simulation of co-combustion of coal and refuse derived fuel in coupling with decomposition of calcium carbonate in precalciner with swirl type prechamber

MEI Shuxia, XIE Junlin, CHEN Xiaolin, LI Xuemei, PEI Kepeng, HE Feng

(College of Material Science & Engineering, State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China)

Numerical simulation of co-combustion of pulverized coal, refuse derived fuel （RDF） and thermal decomposition of calcium carbonate was carried out aiming at an actual precalciner with swirl type prechamber. The predicted burn-off rates of pulverized coal and RDF were 99% and 100% respectively,and the predicted decomposing rate of calcium carbonate was 95%, being in accordance with engineering data actually measured. The results show that the fuel and raw meal are carried by gas stream to rise spirally.The pulverized coal stream starts to burn soon when injected into the furnace from the top of the prechamber, and then burns rapidly, being dominated by char combustion, when rising into the cone section and the column section above the prechamber, forming a violent combustion region. The RDF starts to burn soon, being dominated by volatile combustion, when blown into the furnace horizontally from the lower part of the column section of the precalciner, forming a main combustion zone, and then rises spirally intertwining with the pulverized coal stream. The calcium carbonate begins to whirl in the prechamber, being decomposed by absorbing the heat of high-temperature gas stream, when falling into the furnace from the top of the prechamber, and then is further decomposed in the main combustion zone of coal and RDF on the way up. As a result of the coupling of co-combustion and decomposition, there is a uniform and steady temperature field in the column section of the precalciner.

precalciner; RDF; coal combustion; co-combustion; calcium carbonate decomposition; chemical reaction; numerical simulation

10.11949/j.issn.0438-1157.20170028

TQ 172

A

0438—1157（2017）06—2519—07

謝峻林。

梅書霞（1980—），女，博士研究生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51502221）。

2017-01-08收到初稿，2017-02-23收到修改稿。

2017-01-08.

Prof.XIE Junlin, xjlclxy@126.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51502221).