回轉(zhuǎn)窯煤粉分級(jí)燃燒NOx 排放的數(shù)值模擬

張林進(jìn)，唐 丹

（江蘇中圣園科技股份有限公司，江蘇 南京211102）

回轉(zhuǎn)窯是石灰、 水泥生產(chǎn)裝備中比較先進(jìn)的窯型，因其具備生產(chǎn)能力大、原燃料適應(yīng)性強(qiáng)、成品質(zhì)量均勻穩(wěn)定、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、煤化工等行業(yè)[1-2]。 回轉(zhuǎn)窯窯頭采用單支多通道燃燒器進(jìn)行集中燃燒，燃燒溫度高，且燃料中帶入含氮化合物， 尾排煙氣中NOx含量普遍偏高[3]。近年來，多通道燃燒器朝著強(qiáng)湍流、強(qiáng)回流、強(qiáng)旋流、濃縮燃燒、大推力方向發(fā)展，消除局部高溫，形成局部還原環(huán)境，可降低煙氣NOx排放[4-5]。但隨著日益嚴(yán)苛的國(guó)家、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，采用低氮燃燒器的石灰回轉(zhuǎn)窯仍面臨NOx排放超標(biāo)的問題， 這將成為制約正常生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。 國(guó)內(nèi)部分石灰生產(chǎn)企業(yè)開始著手采用SNCR 脫硝、SCR 脫硝、濕法脫硫脫硝一體化技術(shù)進(jìn)行NOx減排， 屬于燃燒后NOx控制手段， 而對(duì)燃燒過程中NOx減排技術(shù)的研究及應(yīng)用甚少。

本文針對(duì)石灰回轉(zhuǎn)窯窯尾分級(jí)燃燒技術(shù)， 采用Fluent 軟件對(duì)煤粉分級(jí)燃燒進(jìn)行模擬計(jì)算， 探討煙氣氧含量、 煤粉分配比例等工藝參數(shù)對(duì)NOx排放的影響規(guī)律， 進(jìn)而確定石灰回轉(zhuǎn)窯采用窯尾分級(jí)燃燒技術(shù)的實(shí)施方案。

1 NOx 生成機(jī)理

煤粉燃燒過程中所產(chǎn)生的NOx， 主要是NO 和NO2，其中NO 約占90%以上，而NO2只占5%～10%，因而在研究煤粉燃燒過程中的NOx生成時(shí)， 一般主要討論NO 的生成機(jī)理。 從NO 的生成機(jī)理來看，主要有熱力型、燃料型和快速型三種[6-8]。熱力型NOx是由于燃燒空氣中N2在高溫下氧化而產(chǎn)生的，隨著反應(yīng)溫度T 的升高， 其反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加，當(dāng)T<1300 ℃時(shí)，NOx的生成量很少， 而當(dāng)T>1300 ℃時(shí)，T 每增加100 ℃，反應(yīng)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燒過程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化生成NOx。 由于煤粉中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600～800 ℃時(shí)，含氮的有機(jī)化合物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN 等中間產(chǎn)物基團(tuán)，然后被氧化成NOx。 由于煤粉的燃燒過程由揮發(fā)份燃燒和焦炭燃燒兩個(gè)階段組成， 故燃料型NOx的形成也由揮發(fā)份氮的氧化和焦炭氮的氧化兩部分組成。 快速型NOx不同于熱力型、燃料型NOx，主要通過燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的CH 原子團(tuán)撞擊N2分子，生成CN 類化合物中間產(chǎn)物，如HCN。 再進(jìn)一步被氧化而生成NOx。 對(duì)煤粉燃燒而言，快速型NOx與熱力型NOx及燃料型NOx相比，其生成量少得多，一般占總NOx生產(chǎn)量的5%以下。

2 回轉(zhuǎn)窯分級(jí)燃燒計(jì)算模型

2.1 分級(jí)燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介

石灰回轉(zhuǎn)窯分級(jí)燃燒技術(shù)是通過分配一部分燃料（總?cè)剂狭康?%～30%）到回轉(zhuǎn)窯窯尾燃燒，提高預(yù)熱器內(nèi)石灰石的預(yù)熱溫度， 減少回轉(zhuǎn)窯燃燒器的煤粉量，從而降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒溫度，減少熱力型NOx的生成，同時(shí)窯尾燃料處于低氧燃燒、局部欠氧燃燒狀態(tài)，一方面可以控制局部燃燒溫度，抑制熱力型NOx的生產(chǎn)， 另一方面可以還原窯頭燃燒煙氣中已生成的NOx。

預(yù)熱器下料溜槽處設(shè)置4 根噴煤槍，噴槍沿圓周均布，將原回轉(zhuǎn)窯總煤粉量的5%～30%送入預(yù)熱器下部錐段進(jìn)行燃燒。 煤粉量獨(dú)立計(jì)量，以精確控制窯尾煤粉分配比例，確保窯內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性。 根據(jù)預(yù)熱器的工藝特點(diǎn)， 該處不會(huì)有大量的石灰石物料積聚，只有當(dāng)下料推頭動(dòng)作時(shí)，石灰石物料從此處下料進(jìn)入溜槽并送入回轉(zhuǎn)窯，同時(shí)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證煤粉噴槍出口具備一定的燃燒空間，減少煤粉燃燒受石灰石物料運(yùn)動(dòng)的影響。 分級(jí)燃燒工藝如圖1 所示。

2.2 幾何模型及網(wǎng)格

幾何模型依據(jù)400TPD 回轉(zhuǎn)窯1∶1 構(gòu)建，包含回轉(zhuǎn)窯筒體、預(yù)熱器溜槽、下料口以及出口環(huán)管等計(jì)算空間，窯頭燃燒不在本研究范圍內(nèi)。幾何模型及網(wǎng)格模型如圖2、圖3 所示，總網(wǎng)格數(shù)約175 萬。

圖1 分級(jí)燃燒工藝示意圖

圖2 幾何模型

圖3 網(wǎng)格模型

2.3 數(shù)學(xué)模型

本模型涉及到流動(dòng)、燃燒及NOx生成等，因此其控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量守恒方程及組分質(zhì)量守恒方程等[9-10]。

連續(xù)性方程：

式中：ρ—?dú)怏w的密度，kg/m3

U—?dú)怏w的速度，m/s

np—單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)，m-3

m—顆粒質(zhì)量的轉(zhuǎn)變速率，kg/s

動(dòng)量方程：

式中：μ—?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s

μt—湍流黏度，Pa·sp—壓強(qiáng)，Pa

k—湍動(dòng)能，m2/s2

fD—顆粒的阻力，N

k-ε 雙方程：

包括湍動(dòng)能方程及湍動(dòng)能耗散率方程

式中：σk、σε、Cε1、Cε2—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， 一般分 別 取 值為σk=1.0，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92

Gk—湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，kg/（s3·m）

能量方程：

式中：H—焓，J/kg

λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）

cp—粒子的比熱容，J/（kg·K）

σH—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

q—粒子的熱傳導(dǎo)量，W

組分方程：

式中：Yi—組分i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Γi—組分i 的擴(kuò)散系數(shù)

Wi—組分i 的化學(xué)反應(yīng)速率，kg/（m3·s）

2.4 邊界條件

整個(gè)模型采用流動(dòng)RNG 的k-ε湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，燃燒采用渦耗散模型，邊界條件采用進(jìn)口速度邊界、出口壓力邊界，煤粉顆粒為離散相形式以一定速度垂直煤粉槍入口進(jìn)入窯尾。 設(shè)定不同煙氣氧含量，模擬窯內(nèi)不同燃燒工況，并考察不同煤粉分配比例對(duì)尾排煙氣NOx含量的影響規(guī)律， 具體工況條件如表1 所示。

表1 工況條件

3 模擬結(jié)果及分析

以工況2 為例，采用Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后的結(jié)果如圖4 所示，（a）～（d）分別為縱截面速度矢量圖、流線圖、溫度云圖及NOx濃度分布圖。

圖4 工況2 模擬結(jié)果圖

從圖4（a）、4（b）可以看出，煤粉進(jìn)入預(yù)熱器下部錐段之后，形成一大一小兩個(gè)回旋區(qū)，提高了煤粉顆粒在預(yù)熱器中的停留時(shí)間，有助于煤粉的完全燃燒；圖4（c）中，煤粉噴槍附近，存在著上下兩個(gè)相對(duì)高溫區(qū)，與（a）與（b）所示的回旋區(qū)吻合，同時(shí)，由于出口環(huán)管采用了漸擴(kuò)管的形式，預(yù)熱器上部溫度分布比較均勻， 有助于石灰石在預(yù)熱器中的均勻受熱；從圖4（d）可以看出，NOx大量生成的區(qū)域存在于整個(gè)計(jì)算域的高溫區(qū)， 即煤粉大量燃燒的區(qū)域，這與理論是相符的。

3.1 煤粉燃盡率

5 種工況條件下的煙氣出口平均溫度為1400 K 左右，且隨著煤粉量的增加而有所增加，這與實(shí)際工程數(shù)據(jù)有一定區(qū)別， 其主要原因是模型中未耦合計(jì)算石灰石吸熱分解過程， 熱量增加導(dǎo)致出口煙溫升高。 圖5 是不同工況條件下的煤粉燃盡率變化曲線圖。 可以看出，5 種工況下，煤粉燃盡率均較高，達(dá)到90%以上，僅有少量煤粉未完全燃燒，同時(shí)，在實(shí)際工程中，煤粉隨煙氣進(jìn)入石灰石料層后，將大量被攔截，進(jìn)而繼續(xù)燃燒，故采用回轉(zhuǎn)窯窯尾分級(jí)燃燒技術(shù)可以保證煤粉燃盡率。

圖5 燃盡率變化曲線圖

3.2 煙氣NOx 含量

圖6 是不同工況條件下的煙氣NOx含量變化曲線圖。

圖6（a）是在保持恒定的窯尾煤粉分配率的條件下， 煙氣NOx含量隨窯頭燃燒煙氣中氧含量變化曲線圖。 可以看出，隨著煙氣中氧氣含量的減少，出口NOx濃度明顯減少，由243 mg/m3降低至177 mg/m3，說明NOx的生成與氧含量有著十分顯著的關(guān)系，因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，在保證冷卻風(fēng)量、助燃風(fēng)量的前提下，盡可能降低窯頭燃料的空燃比，使得窯頭燃燒煙氣中的氧含量盡量減少以滿足分級(jí)燃燒氧含量要求， 這也是通過燃燒工藝控制NOx排放的常用手段[11]。

圖6 出口NOx 濃度變化曲線圖

圖6（b）是在保持恒定的窯頭燃燒煙氣氧含量條件下， 煙氣NOx含量隨窯尾煤粉分配比例的變化曲線圖。 可以看出， 隨著噴入煤粉量的增加， 出口NOx濃度也隨著增加，達(dá)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總量隨之增加，導(dǎo)致形成的NOx總量有所增加。 同時(shí)，可以看出，隨著煤粉量的進(jìn)一步增加，其NOx濃度的增加速率在變緩，其主要原因是隨著煤粉量的增加，窯尾的欠氧燃燒條件越好， 致使部分已形成的NOx與燃料發(fā)生還原反應(yīng)生成N2，因此其NOx的增加速率在放緩，同時(shí)考慮的窯頭煤粉燃燒所生成的NOx，適當(dāng)增加窯尾的煤粉量有助于減少整體NOx的排放。

4 結(jié)論

（1）回轉(zhuǎn)窯窯尾分級(jí)燃燒技術(shù)不影響預(yù)熱器氣流分布及石灰石受熱的均勻性， 同時(shí)煤粉的燃盡率能夠得到保證，具備工程實(shí)踐基礎(chǔ)。

（2）在保證窯頭煤粉燃燒狀況良好的前提下，應(yīng)盡可能地降低空燃比，保證煙氣中氧含量＜3%，有助于減少NOx的生成。

（3）在保證煤粉燃盡率的前提下，根據(jù)實(shí)際熱量需求情況，可以適當(dāng)增加窯尾煤粉量，有助于減少回轉(zhuǎn)窯整體NOx的排放。

（4）本研究未針對(duì)煤粉粒徑、窯頭燃燒、石灰石吸熱分析，后續(xù)研究需進(jìn)行全局模擬計(jì)算，全面分析工藝參數(shù)對(duì)NOx的影響， 為窯尾分級(jí)燃燒技術(shù)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。