水泥三噴騰分解爐煅燒過(guò)程數(shù)值模擬研究

楊郁 李侍津 羅曉 邊永歡 劉仁平

摘要：為了深入研究分解爐內(nèi)的煅燒過(guò)程，提高煅燒效果，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某水泥公司4 500 t/d TTF分解爐進(jìn)行了數(shù)值建模。在選取Standard k-ε模型、離散相模型和組分傳輸模型模擬出流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，分析了煤粉燃燒過(guò)程及生料角度、三次風(fēng)速度和溫度對(duì)爐內(nèi)煅燒過(guò)程的影響。結(jié)果表明：生料入射角度對(duì)分解率有較大的影響;三次風(fēng)速度較大時(shí)，生料分解率和焦炭燃燼率也較高;三次風(fēng)溫度升高，會(huì)引起助燃空氣不足，降低焦炭反應(yīng)活性，從而降低燃燼率;通過(guò)優(yōu)化3個(gè)參數(shù)，CaCO3分解率達(dá)到90.3%，焦炭燃燼率達(dá)到88.0%。開(kāi)展水泥分解爐煅燒過(guò)程數(shù)值模擬研究并將之應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，可為優(yōu)化水泥生產(chǎn)工況提供理論參考，對(duì)水泥工業(yè)與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：工業(yè)鍋爐;TTF分解爐;煤粉燃燒;生料分解;優(yōu)化;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TK175文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To study the calcination process in a precalciner and improve calcination effect， the 4 500 t/d TTF precalciner in a domestic cement company is numerically modeled by Fluent. By selecting the standard k-ε model， discrete phase model and component transfer model， the flow field and temperature field are simulated， based on which， the pulverized coal combustion process and the effects of cement raw meal angle， tertiary air velocity and tertiary air temperature on calcination process are analyzed. The results show that the incidence angle of raw meal has great influence on the decomposition rate. When the tertiary air velocity is higher， the decomposition rate of raw meal and the burning rate of coke are also higher. Increase in tertiary air temperature causes insufficient combustion air and reduces coke reactivity， thereby reduces combustion rate. By optimizing the three parameters， the decomposition rate of CaCO3 and the burning rate of coke can reach 90.3% and 88.0%， respectively. The research on the numerical simulation of cement precalciner calcination process and its application in practical engineering projects can provide theoretical reference for optimizing cement production conditions， and has great practical significance for the cement industry and its coordinated development with resources and environment.

Keywords：industrial boiler; TTF precalciner; pulverized coal combustion; raw meal decomposition; optimization; numerical simulation

近年來(lái)中國(guó)水泥產(chǎn)量居高不下，在獲取產(chǎn)品的同時(shí)，消耗了大量的煤炭資源[1]。為此，國(guó)家對(duì)水泥行業(yè)的能耗總量和單位產(chǎn)品能耗提出了明確要求[2]。分解爐是目前水泥生產(chǎn)的核心設(shè)備之一，其內(nèi)部主要發(fā)生煤粉燃燒和生料分解以及熱交換等過(guò)程，這些過(guò)程相互作用，影響水泥產(chǎn)品的質(zhì)量和能源消耗量[3-4]，針對(duì)分解爐內(nèi)燃燒和分解過(guò)程及其影響因素進(jìn)行研究顯得尤為重要。

分析、冷模實(shí)驗(yàn)和工廠試驗(yàn)相比，運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行分解爐數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，更能高效展現(xiàn)爐內(nèi)物理和化學(xué)過(guò)程，是目前研究分解爐的主要方式之一[5]。通過(guò)對(duì)分解爐內(nèi)煤粉燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬，可得到爐內(nèi)溫度場(chǎng)和組分濃度場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息[6-8]。例如：通過(guò)研究，耿宗俊等[9]得到了爐內(nèi)最高溫度為1 800 K;有不少研究者針對(duì)DD和DDF兩種爐型分解爐內(nèi)煤粉燃燒和生料分解耦合作用進(jìn)行模擬，在得到爐內(nèi)溫度場(chǎng)、組分濃度場(chǎng)基礎(chǔ)上，又分析了燃料、生料的物理化學(xué)過(guò)程[10-11];梅書(shū)霞等[12-14]針對(duì)分解爐內(nèi)煤粉燃燒和碳酸鈣分解進(jìn)行了大量研究，其中包括煤粉、垃圾衍生燃料兩種燃料共燃與碳酸鈣分解耦合作用機(jī)制。目前，該領(lǐng)域的研究工作主要集中在DD和DDF兩種爐型上，針對(duì)TTF分解爐的研究較少。此外，關(guān)于分解爐優(yōu)化研究，主要以三次風(fēng)、生料和煤粉結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)污染物生成規(guī)律的影響為主，對(duì)煤粉燃燒和生料分解研究較少[15-16]。

筆者針對(duì)某水泥廠4 500 t/d TTF三噴騰分解爐進(jìn)行了數(shù)值模擬。在驗(yàn)證流場(chǎng)、溫度場(chǎng)與實(shí)際工況相符的基礎(chǔ)上，研究了煤粉燃燒過(guò)程及生料角度、三次風(fēng)速度和溫度對(duì)煅燒過(guò)程的影響，并對(duì)優(yōu)化工況進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為深入研究分解爐及指導(dǎo)水泥生產(chǎn)提供理論參考。

1模型與數(shù)值解法

1.1幾何模型與數(shù)學(xué)模型

根據(jù)實(shí)際工藝設(shè)備尺寸進(jìn)行建模，圖1為分解爐結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格示意圖?；剞D(zhuǎn)窯窯尾煙氣從分解爐底部A垂直進(jìn)入，B為分解爐出口。三次風(fēng)水平進(jìn)入爐內(nèi)，其進(jìn)口連在錐體上方C處。D和E分別為2個(gè)煤粉進(jìn)口和1個(gè)生料進(jìn)口，煤粉管與水平方向呈25°角，所有的進(jìn)口對(duì)稱(chēng)分布在分解爐兩側(cè)。為方便網(wǎng)格劃分，提高模擬精確度，對(duì)爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，將煤粉進(jìn)口和生料進(jìn)口簡(jiǎn)化為一個(gè)矩形進(jìn)口。整體采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

采用Standard k-ε模型模擬氣相湍流，采用離散相模型（discrete phase model）及隨機(jī)軌道模型進(jìn)行顆粒相的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，采用組分傳輸模型模擬煤粉燃燒和生料分解耦合過(guò)程，采用P1輻射模型進(jìn)行傳熱計(jì)算，采用雙步競(jìng)爭(zhēng)速率模型對(duì)析出的揮發(fā)分進(jìn)行計(jì)算，焦炭燃燒采用固有（內(nèi)在）模型。

1.2邊界條件

1.3數(shù)值解法

本研究采用的數(shù)值解法是有限體積法，空間離散上設(shè)置壓力為標(biāo)準(zhǔn)模式，動(dòng)量為二階迎風(fēng)差分格式，湍流方程中湍流動(dòng)能及能量耗散取一階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行求解。對(duì)離散方程組的壓力-速度耦合選用SIMPLE算法求解，方程的空間離散化采用一階迎風(fēng)格式。采用無(wú)滑移壁面，對(duì)近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。收斂標(biāo)準(zhǔn)為能量項(xiàng)和P1項(xiàng)殘差小于10-6，其余各殘差小于10-3[17-18]。

2結(jié)果

2.1流場(chǎng)分析

圖2為速度云圖和局部速度矢量圖。圖2 a）顯示爐內(nèi)共產(chǎn)生三次噴騰效應(yīng)，速度場(chǎng)沿分解爐中心線(xiàn)呈良好的對(duì)稱(chēng)分布。模擬結(jié)果圖2 b）和圖2 c）顯示，由于上升的窯尾煙氣受三次風(fēng)阻擋，因此在三次風(fēng)下方形成部分回流區(qū);在三次風(fēng)上方，受上升窯尾煙氣的影響，形成另外2個(gè)較大的回流區(qū)?；亓髯饔檬股显诜纸鉅t內(nèi)的分散更加均勻，并且增加了煤粉在分解爐內(nèi)的燃燒時(shí)間，促進(jìn)煤粉充分燃燒和碳酸鈣的徹底分解。模擬展示的氣相流場(chǎng)的分布特點(diǎn)與實(shí)際工況的測(cè)定分析結(jié)果較為一致，表明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2溫度場(chǎng)分析

煤粉通過(guò)噴煤管采用噴射方式進(jìn)入分解爐內(nèi)，與高溫三次風(fēng)及高溫窯尾煙氣相混合。通過(guò)換熱，煤粉的溫度被升高，當(dāng)被加熱到一定溫度后發(fā)生燃燒反應(yīng)，并釋放出大量熱量，這些熱量為碳酸鈣的分解提供溫度條件。

有不少研究者對(duì)煤粉的燃燒特性進(jìn)行了分析。該燃燒過(guò)程可分為2部分，即揮發(fā)分的析出和燃燒與焦炭的燃燒[19-21]。圖4為揮發(fā)分在分解爐z方向上的摩爾分?jǐn)?shù)云圖與曲線(xiàn)圖。由曲線(xiàn)圖可見(jiàn)，在7～15 m高度處，揮發(fā)分濃度發(fā)生明顯變化;結(jié)合揮發(fā)分摩爾分?jǐn)?shù)云圖可知，在10.5 m高度處，2個(gè)對(duì)稱(chēng)的煤粉燃燒器斜向下噴射煤粉，在此過(guò)程中揮發(fā)分大量析出并迅速燃燒至完全。

圖5為其中一個(gè)煤粉入口的顆粒軌跡圖。煤粉采用面入射方式，由入口均勻噴射進(jìn)爐內(nèi)。受運(yùn)動(dòng)氣流的影響，焦炭顆粒在分解爐錐部以上區(qū)域的軌跡變得曲折，增加了焦炭顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間。與揮發(fā)分分布不同，自錐部向上直至分解爐出口，均產(chǎn)生焦炭顆粒燃燒反應(yīng)，維持了分解爐的整體溫度，并保障了碳酸鈣的分解。結(jié)果顯示，焦炭燃燼率為85.4%，與實(shí)際工況相符合。

3影響因素

分解爐內(nèi)同時(shí)發(fā)生復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)、燃燒、分解和傳熱等物理化學(xué)過(guò)程，合理的工況條件對(duì)提高分解率和燃燼率有重要影響[22]。分解爐外形、下料點(diǎn)位置、數(shù)量和角度、三次風(fēng)速度和溫度、噴煤口數(shù)量等都是影響煅燒過(guò)程的因素。在原分解爐結(jié)構(gòu)不變的情況下，選取生料入射角度、三次風(fēng)速度及三次風(fēng)溫度共3個(gè)因素進(jìn)行研究。

3.1生料角度

生料的加入會(huì)對(duì)爐內(nèi)氣固兩相流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，而流場(chǎng)特性會(huì)影響爐內(nèi)物料的分散狀況，在生料分解和煤粉燃燒方面起著重要作用[23]。根據(jù)分解爐原始工況，選取與水平面夾角10°～60°范圍內(nèi)，每隔5°設(shè)置一個(gè)生料入射角度，研究生料入射角度對(duì)分解爐煅燒的影響。

圖6為生料入射角度與分解爐出口生料分解率及焦炭燃燼率的關(guān)系曲線(xiàn)，圖7為生料入射角度與爐內(nèi)壓力損失（三次風(fēng)進(jìn)口至分解爐出口）的關(guān)系曲線(xiàn)。結(jié)合圖6和圖7可知，隨著入射角度增加，焦炭燃燼率穩(wěn)定在81%以上，說(shuō)明生料入射角度不是影響焦炭燃燒的主要因素;在10°～40°之間，壓力損失較小，并且分解率比較穩(wěn)定，說(shuō)明生料入射角度對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)的影響不大;在40°～60°之間，壓力損失迅速增加，分解率明顯下降，表明生料的加入對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)作用，阻礙了生料和煤粉的有效混合。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出在較低壓力損失下，生料分解率在入射角度分別為25°，30°，35°時(shí)，分別比60°時(shí)高12.2%，12.5%和12.7%。

3.2三次風(fēng)速度

3.3三次風(fēng)溫度

溫度對(duì)分解爐中生料的分解起著至關(guān)重要的作用。在生料入射角度為35°、三次風(fēng)速度為28 m/s基礎(chǔ)上，根據(jù)工廠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選取三次風(fēng)溫度分別為1 123，1 173，1 223，1 273和1 323 K共5個(gè)條件，研究三次風(fēng)溫度對(duì)分解爐煅燒的影響。

圖10為三次風(fēng)溫度與分解率及焦炭燃燼率的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖10可知，隨著三次風(fēng)溫度的增加，焦炭燃燼率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于提高三次風(fēng)溫度且保證風(fēng)速不變，則降低了入爐三次風(fēng)的質(zhì)量流量，引起助燃空氣不足，從而使焦炭燃燼率降低;同時(shí)由于風(fēng)溫升高，使得煤粉燃燒時(shí)焦炭顆粒的溫度升高。有研究表明，當(dāng)熱處理溫度為1 373～1 673 K時(shí)，焦炭中部分物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而增加了焦炭反應(yīng)的活化能，降低其反應(yīng)活性，最終增加了出口焦炭的未燃燼率[24]。隨著溫度升高，生料分解率增加，表明升高溫度對(duì)生料分解有明顯的促進(jìn)作用。

圖11為三次風(fēng)溫度與爐內(nèi)壓力損失（三次風(fēng)進(jìn)口至分解爐出口）的關(guān)系曲線(xiàn)。隨著三次風(fēng)溫度的增加，壓力損失先增加后下降，在三次風(fēng)溫度為1 275 K時(shí)，壓力損失最大。結(jié)合圖10和圖11可知，三次風(fēng)溫度為1 123～1 173 K時(shí)，壓力損失較低，并且存在較高的分解率和燃燼率。

4優(yōu)化工況分析

結(jié)合圖12 a）和圖12 b）分析，CaCO3由分解爐壁面處加入，其運(yùn)動(dòng)方向受到三次風(fēng)、上升窯尾煙氣和重力的共同影響。在分解爐下部，柱體CaCO3的濃度梯度較大，在生料入口處CaO含量增加明顯，這是由于高溫引起CaCO3迅速分解。隨著分解爐高度的增加，未分解完全的CaCO3逐步分解，使得CaO濃度逐漸增加直至分解爐出口。如圖12 c）所示，爐內(nèi)CO2與CaO含量變化趨勢(shì)相同?；剞D(zhuǎn)窯窯尾煙氣含有部分CO2，其摩爾分?jǐn)?shù)約為0.04，三次風(fēng)的CO2含量最少，從三次風(fēng)上方直至分解爐出口CO2含量出現(xiàn)明顯的遞增趨勢(shì)，這是由于煤粉燃燒和CaCO3分解的共同作用。觀察圖12 d）得知，三次風(fēng)提供了煤粉燃燒必要的氧氣條件，煤粉由三次風(fēng)上方加入，在足夠高的溫度環(huán)境下，遇到三次風(fēng)中的大量O2得以迅速燃燒，O2被大量消耗，在三次風(fēng)周?chē)鶲2含量迅速降低。

根據(jù)模擬結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，分解爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置較為合理，CaCO3分解率可達(dá)到903%，比初始工況分解率提高了近8%;焦炭燃燼率達(dá)到88.0%，比初始工況燃燼率提高近3%。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)某水泥廠實(shí)際生產(chǎn)工藝中4 500 t/d TTF三噴騰型分解爐進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了爐內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及煤粉燃燒過(guò)程，并依次改變生料角度、三次風(fēng)速度和三次風(fēng)溫度3個(gè)因素進(jìn)行研究，結(jié)論如下。

1）流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生三次噴騰效應(yīng)，且三次風(fēng)上方產(chǎn)生2個(gè)較大回流區(qū)，分解爐出口平均溫度為1 250 K，模擬結(jié)果與實(shí)際工況吻合較好。

2）改變生料入射角度對(duì)焦炭燃燼率影響不大，入射角度為25°，30°和35°時(shí)，分解爐出口分解率分別比60°時(shí)高12.2%，12.5%和12.7%;三次風(fēng)速度由20 m/s增加至32 m/s時(shí)，生料分解率和焦炭燃燼率都增加;三次風(fēng)溫度為1 123～1 323 K，生料分解率都在適宜范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，焦炭燃燼率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由助燃空氣不足和焦炭反應(yīng)活性降低導(dǎo)致的。

3）通過(guò)優(yōu)化生料角度、三次風(fēng)速度和三次風(fēng)溫度3個(gè)參數(shù)，可使CaCO3分解率達(dá)到90.3%，比初始工況提高近8%;焦炭燃燼率達(dá)到88.0%，比初始工況提高近3%。在接下來(lái)的研究中，應(yīng)在保證CaCO3分解率的同時(shí)，進(jìn)一步提高焦炭的燃燼率。

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