三次風(fēng)分級引入對分解爐性能影響的研究

李海豹，陳楊峰

（江蘇省建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引言

窯外預(yù)分解技術(shù)是當(dāng)代水泥工業(yè)煅燒水泥熟料的先進(jìn)技術(shù)， 是國內(nèi)外公認(rèn)的代表當(dāng)今最高水平的水泥生產(chǎn)方法。 分解爐作為窯外預(yù)分解技術(shù)的核心設(shè)備，位于懸浮預(yù)熱器與回轉(zhuǎn)窯之間，主要完成燃料燃燒、換熱和碳酸鈣分解的任務(wù)。 從世界上第一臺(tái)窯外預(yù)分解窯1971年在日本研制成功至今，人們在不斷地完善與優(yōu)化窯外預(yù)分解技術(shù)，僅分解爐內(nèi)碳酸鈣分解率，目前可達(dá)80%～95%，極大地降低了回轉(zhuǎn)窯的熱負(fù)荷。 但分解爐的熱效應(yīng)仍需繼續(xù)優(yōu)化， 研究分解爐的爐體結(jié)構(gòu)與工作原理表明，爐內(nèi)燃料燃燒方式、助燃?xì)怏w分配比例均對分解爐的熱效應(yīng)影響顯著。

本文以某分解爐的實(shí)際尺寸為基礎(chǔ)建立物理模型，借助ANSYS軟件，模擬分析三次風(fēng)分級前后分解爐內(nèi)氣相流場、 溫度場以及NOX的分布特性，探討三次風(fēng)分級引入對分解爐性能的影響， 以期為分解爐的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 模型與計(jì)算方法

1.1 物理模型

根據(jù)某分解爐的實(shí)際尺寸，建立幾何模型如圖1所示。從圖1中可以看出，分解爐主體上有三個(gè)縮口，并將分解爐主體分割成三個(gè)工作室，分別為燃燒室、中混合室和上混合室。撒料箱均布在燃燒室上，三次風(fēng)管在燃燒室處偏心徑向吹入， 三次風(fēng)分級管在中混合室徑向吹入處， 其中燃燒室處三次風(fēng)管直徑為2.05 m，中混合室處三次風(fēng)管直徑為1.6 m。為了更好地研究分解爐內(nèi)部流場信息，對分解爐的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，檢查網(wǎng)格質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格扭曲率均小于0.85，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

1.2 數(shù)學(xué)模型

分解爐內(nèi)的熱工過程是一個(gè)包含流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以及它們之間相互作用的復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律三大定律。為更好地解決上述問題，需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

圖1 分解爐幾何模型

圖2 分解爐物理模型及網(wǎng)格劃分

在模擬過程中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬氣相流場，采用Eddy-Dissipation渦耗散模型模擬化學(xué)反應(yīng)，采用PI輻射模型模擬輻射傳熱，采用污染物模型模擬NOX的生成。

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬分解爐內(nèi)氣相流場，其通用表達(dá)式如下：

中：Φ分別代表速度u、v、w；SΦ是由氣相引起的源項(xiàng)。 方程中擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)的具體形式見表1。

1.2.2 Eddy-Dissipation渦耗散模型

采用Eddy-Dissipation渦耗散模型模擬分解爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，其表達(dá)式如下：

式中：YP是產(chǎn)物P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，YR是特定反應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，A=4.0，B=0.5。

1.2.3 PI輻射模型

表1 氣相流場中的控制方程

采用PI輻射模型模擬輻射傳熱情況，表達(dá)式如下：

1.2.4 NOX生成模型

對于分解爐內(nèi)的NOX， 絕大多數(shù)以燃料型NOX的形式存在，即假定焦炭中的氮全部轉(zhuǎn)化成為NO，揮發(fā)分中的氮全部轉(zhuǎn)化成HCN。 根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，得到HCN和NO的生成速率，并將其作為HCN和NO的源項(xiàng)，得到分解爐中NO的生成：

1.3 求解方法

分解爐的邊界條件包括：煤粉入口、生料入口、三次風(fēng)入口、窯尾煙氣入口、壓力出口。計(jì)算所需的邊界條件均是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工作條件確定。壁面處選用標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面函數(shù)， 顆粒相出口為逃逸出口。 選用壓力基求解器， 速度-壓力耦合采用SIMPLE算法，壓力差值采用STANDARD格式，其他項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分格式， 離散化的方程采用TDMA掃描法求解。 為提高精度，連續(xù)相收斂后采用二階迎風(fēng)差分格式計(jì)算煤粉燃燒。燃料燃燒后獲得穩(wěn)定的流場后，將NOX的生成作為燃燒后處理進(jìn)行求解。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 氣相流場

圖3給出了分解爐的速度分布情況， 其中圖3a為三次風(fēng)分級前的速度分布，圖3b為三次風(fēng)分級后的速度分布。從圖3a可以看出，在三次風(fēng)分級前，分解爐內(nèi)速度分布對稱性較好，多處存在渦旋，表明在分解爐內(nèi)流體湍流發(fā)展充分，物料可與氣流充分混合。在燃燒室處，存在兩處較大的渦旋，而該處恰是生料下料處，這對生料的均勻分散和充分混合非常有利。 由于縮口的存在，使得流體經(jīng)過縮口后呈噴射狀，被壁面阻擋后，在中混合室形成較大的渦旋，再次提高物料返混度，這樣可有效地延長物料的停留時(shí)間，以增強(qiáng)熱效應(yīng)。 對比圖3a、圖3b發(fā)現(xiàn)，因三次風(fēng)管分級位置在中混合室，因此分級后對分解爐下部乃至燃燒室?guī)缀鯖]有影響，速度分布情況與分級前速度分布相同。 在中混合室處，由于三次風(fēng)的噴入，擾亂了原有的大渦旋，但較大的速度差及剪切力使得該處重新形成強(qiáng)渦旋，可有效增加物料返混度和停留時(shí)間。 對比分析速度分布情況可知， 三次風(fēng)分級引入可以增強(qiáng)分解爐中上部的旋流，增強(qiáng)噴旋動(dòng)力，從而更好地增強(qiáng)物料返混程度，利于生料分解反應(yīng)的高效進(jìn)行。

圖3 分解爐內(nèi)流體速度分布情況（單位：m/s）

2.2 溫度場

圖4是煤粉燃燒后的分解爐內(nèi)溫度分布情況，其中圖4a是三次風(fēng)分級前的溫度分布，圖4b是三次風(fēng)分級后的溫度分布。 從圖4a中可以看出，燃料噴入分解爐后， 在三次風(fēng)的助燃下快速著火燃燒，形成高溫區(qū)域，而該區(qū)域位于下料管附近，有利于生料充分利用燃料燃燒熱，與熱氣流高效換熱，促進(jìn)分解反應(yīng)，提高能量利用率。 同時(shí)，可以清晰地看出，該分解爐內(nèi)溫度呈完美的拋物線形分布，對稱性極好，表明分解爐內(nèi)的流體湍流發(fā)展充分，分解爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。 在三次風(fēng)的助燃下，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，放出大量的熱量，形成較高的溫度區(qū)域，隨著時(shí)間的推移及燃料的逐漸消耗，經(jīng)縮口后的中混合室溫度已明顯降低，而在上混合室處，由于燃料完全燃燒，放出的熱量較少，溫度達(dá)到穩(wěn)定，維持在1 250 K左右。三次風(fēng)分級后，使得燃燒室部分燃料欠氧燃燒，燃料燃燒不充分，產(chǎn)生還原氣氛，未完全燃燒的燃料隨著流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)入中混合室，在分級三次風(fēng)的助燃下繼續(xù)燃燒， 因此與分級前相比，分解爐內(nèi)最高溫度略低，中混合室及上混合室溫度有所提高。在保證燃燒室內(nèi)燃料燃燒放出大量熱量的同時(shí)，三次風(fēng)分級引入可延長燃料燃燒進(jìn)程，有效擴(kuò)大分解爐內(nèi)的高溫范圍，延長物料換熱時(shí)間，以滿足生料分解熱量所需。 雖然三次風(fēng)分級引入使得溫度分布對稱性降低，但該溫度分布與流體運(yùn)動(dòng)相匹配， 可有效地增強(qiáng)生料與高溫氣體的混合程度，有效利用燃燒熱量，以提高分解爐熱效應(yīng)。

圖4 分解爐內(nèi)溫度分布情況（單位：K）

2.3 NOX分布情況

三次風(fēng)分級引入的另一目的是降低分解爐內(nèi)NOX的量。 本文對分解爐內(nèi)燃料燃燒所產(chǎn)生的NOX進(jìn)行研究，得到三次風(fēng)分級前后分解爐內(nèi)NOX的量如圖5所示， 其中圖5a是三次風(fēng)分級前的NOX分布情況，圖5b是三次風(fēng)分級后的NOX分布情況。

圖5 分解爐內(nèi)NOX 濃度情況（單位：mg/L）

從圖5a中可以看出， 在三次風(fēng)未分級引入時(shí)，NOX主要產(chǎn)生在溫度較高的燃燒室， 尤其是燃料噴入后燃燒的部位，因燃料的裂解燃燒，焦炭中的氮和揮發(fā)分中的氮被全部氧化， 轉(zhuǎn)變成NOX， 加大了NOX生成量。在中上部混合室，燃料含量少，相應(yīng)NOX的量很低， 而該處的NOX絕大部分是燃燒室內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的NOX隨流體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，可以看出，分解爐內(nèi)NOX最高濃度已達(dá)到1 000 mg/L以上，出口處的濃度也不低于400 mg/L。 圖5b是三次風(fēng)分級后的NOX濃度分布， 從圖5b中可以看出三次風(fēng)的引入使得NOX濃度明顯降低， 這是三次風(fēng)分級引入導(dǎo)致燃料分級燃燒的結(jié)果。 三次風(fēng)分級引入，致使燃燒室內(nèi)部分燃料欠氧燃燒，產(chǎn)生還原氣氛，從而還原已生成的NOX，抑制NOX的生成。 未完全燃燒的燃料進(jìn)入中混合室燃燒時(shí)，因溫度關(guān)系產(chǎn)生的NOX量很小，幾乎可以忽略。 模擬結(jié)果表明三次風(fēng)分級引入，對降低分解爐內(nèi)燃料型NOX的生成具有一定的效果。

3 結(jié)論

通過利用數(shù)值模擬的方法，研究對比了三次風(fēng)分級引入前后分解爐的性能，可以看出三次風(fēng)分級引入后具有諸多優(yōu)勢：

（1） 三次風(fēng)分級引入可增強(qiáng)物料返混程度，延長物料停留時(shí)間，利于生料分解反應(yīng)的進(jìn)行。

（2） 三次風(fēng)分級引入可延長燃料燃燒進(jìn)程，擴(kuò)大分解爐內(nèi)的高溫區(qū)域，提高分解爐熱效應(yīng)。

（3）三次風(fēng)分級引入可使燃料欠氧燃燒，產(chǎn)生還原氣氛，降低分解爐內(nèi)燃料型NOX的生成量。

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