回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不同燃料比例爐氣與煤粉共燃模擬

摘 """""要："為了解決回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐工藝中能源浪費問題，本文基于計算流體力學（（CFD）），建立了三維氣固兩相燃料混合燃燒計算模型，采用FLUENT軟件對回轉(zhuǎn)窯不同比例的煤粉與礦熱爐爐氣的混合燃燒進行了模擬分析，建立了氣固兩相混合燃燒的數(shù)學模型，探究了不同燃料比例下回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場的分布。結(jié)果表明：不同燃料比例下回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的速度矢量呈軸對稱分布，且隨著氣體燃料的增加，火焰峰值溫度逐漸降低，高溫區(qū)的范圍逐漸增大，焙燒區(qū)的煅燒帶的長度由14.9"m增加到18.2"m。

關(guān) "鍵 "詞：回轉(zhuǎn)窯；"數(shù)值模擬；"氣-固混合燃燒；"爐氣回收

中圖分類號：TF806.7""TQ××"""""文獻標志碼："A """"文章編號："1004-0935（2024）10-00001614-0×4

在諸多鎳鐵合金生產(chǎn)工藝中，回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐冶煉工藝（RKEF）生產(chǎn)的鎳鐵合金具有品位高、有害元素少和生產(chǎn)效率高等特點而被廣泛應用?；剞D(zhuǎn)窯作為鎳鐵礦生產(chǎn)設備中的關(guān)鍵部件是RKEF工藝的重要環(huán)節(jié)，其礦料在焙燒過程中脫水-預還原的程度將影響合金中鎳鐵的品位。該工序的關(guān)鍵就是對溫度的控制，因此合理控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度分布直接影響礦料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)干燥、熱解、預還原等工序效果^[1]。

為了降低鐵合金冶煉工藝能耗，研究者對煤粉混燃技術(shù)進行大量研究。B?CKSTR?M等^[2]進行了煤與生物質(zhì)等多種燃料混合燃燒的研究，并對燃料對火焰溫度和輻射傳熱的影響進行了評估。GU等^[3]通過煤和天然氣混合燃燒的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)利用天然氣可以擴大高溫區(qū)和焙燒區(qū)的范圍，使煅燒效果更好的同時降低氮氧化物的排放。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，氣-固燃料混合燃燒對煤粉的擴散速率、燃燒率以及揮發(fā)分的揮發(fā)率等方面有益^[4]。在RKEF生產(chǎn)工藝中需采用封閉式的大型礦熱爐，在高溫熔煉過程中會產(chǎn)生含有大量CO等可燃成分的高溫爐氣。爐氣回收技術(shù)的應用有助于提高工藝余熱余能利用率和減少有害物質(zhì)的排放。然而，爐氣/煤粉合理配比、爐氣/煤粉多相傳熱傳質(zhì)機理的精確預測、以及氣-固燃料混合燃燒特性的揭示等問題仍需解決。當前，對于鎳鐵回轉(zhuǎn)窯煤與爐氣共燃的研究較為缺乏。，因此，研究煤與爐氣共燃的規(guī)律具有重要意義。

本文以RKEF工藝中回轉(zhuǎn)窯為研究對象，基于計算流體力學（（CFD））建立了回轉(zhuǎn)窯爐氣-煤粉氣固兩相燃料混合燃燒模型，探究煤粉與爐氣在不同比例下對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場分布的影響。本文采用了標準k-ε湍流模型和P1輻射模型，對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的流場和傳熱進行了模擬計算，采用DPM模型以及隨機游走模型來求解煤粉固體顆粒在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的運動軌跡。

1 "爐氣回收系統(tǒng)

在整個RKEF工藝中，紅土礦料先被破碎成小塊礦料（lt;60mm），在干燥窯中利用回轉(zhuǎn)窯中的煙氣余熱（200～300℃）進行脫水等預處理工藝，之后進入配料站內(nèi)與熔劑（石灰石）、還原劑（無煙煤）按一定比例進行摻混，礦料由窯尾進入回轉(zhuǎn)窯，與煙氣呈逆向?qū)α?，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料經(jīng)過預熱、干燥、還原焙燒等工序后再進入礦熱爐，物料在礦熱爐內(nèi)經(jīng)過高溫熔煉后生成粗制鎳鐵和爐渣。由還原反應產(chǎn)生的爐氣，經(jīng)過凈化工藝回收其中的CO可燃成分，通過管道輸送至回轉(zhuǎn)窯中與煤粉一起作為燃料燃燒。RKEF工藝流程工藝流程如圖1所示。

在整個RKEF工藝中，紅土礦料先被破碎成小塊礦料（lt;60nbsp;mm），在干燥窯中利用回轉(zhuǎn)窯中的煙氣余熱（200～300"℃）進行脫水等預處理工藝，之后進入配料站內(nèi)與熔劑（石灰石）、還原劑（無煙煤）按一定比例進行摻混，礦料由窯尾進入回轉(zhuǎn)窯，與煙氣呈逆向?qū)α?，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料經(jīng)過預熱、干燥、還原焙燒等工序后再進入礦熱爐，物料在礦熱爐內(nèi)經(jīng)過高溫熔煉后生成粗制鎳鐵和爐渣。由還原反應產(chǎn)生的爐氣，經(jīng)過凈化工藝回收其中的CO可燃成分，通過管道輸送至回轉(zhuǎn)窯中與煤粉一起作為燃料燃燒。

2""模型建立與網(wǎng)格劃分

2.1 "幾何模型與網(wǎng)格

本文研究的回轉(zhuǎn)窯模型由五通道燒嘴和窯體兩部分組成。，其中窯體的長度為60m，、內(nèi)徑為4.8m?；剞D(zhuǎn)窯五通道通燒嘴結(jié)構(gòu)自內(nèi)向外依次為中心風通道、煤粉風通道、爐氣風通道、旋流風通道以及軸流風通道。

本文利用ICEM軟件對物理模型進行網(wǎng)格劃分，回轉(zhuǎn)窯網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。整個五通道燒嘴和回轉(zhuǎn)窯計算區(qū)域的所有節(jié)點均采用空間效率高，、收斂性好的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于五通道燒嘴附近溫度場和流場變化較大，中心區(qū)域會發(fā)生燃燒反應，所以采用了局部加密網(wǎng)格來保證計算的精確性。在計算過程中不考慮窯內(nèi)的物料分布情況以及回轉(zhuǎn)窯的傾斜情況。

2.2 "數(shù)學模型

在本研究中，忽略了回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)，因為它在以前的研究中已經(jīng)驗證過^[5]。本文中，爐氣是不可壓縮的三維湍流流體，采用標準k-ε湍流模型^[5-6]、P-1輻射模型計算了流場和傳熱，采用離散相模型（（DPM））求解固相顆粒的運動。

研究發(fā)現(xiàn)，煤粉顆粒的燃燒分為揮發(fā)分的釋放，揮發(fā)分燃燒和殘?zhí)碱w粒的燃燒三3步反應^[7]。

第一階段是煤粉進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)受熱析出揮發(fā)分，揮發(fā)分先行燃燒，采用單速率模型來表示，反應方程式如下：

vol揮發(fā)分+O₂CO+H₂O+N₂+SO₂" （（1））

第二階段是煤粉剩余焦炭的燃燒，，對于炭燃燒，采用動力學/擴散表面反應速率模型，假設表面反應速率由擴散或動力學速率決定^[8]。反應方程式如下：

C+0.5O₂=CO"""""""""""" """（（2））

C+O₂=CO₂" """"""""""""（（3））

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)金屬氧化物的預還原反應：

NiO+CO=Ni+CO₂ """""""""""""""""（（4））

溫度大于570 oC℃時：

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂ """""""""""（（5））

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO_{2 """""""""""} （（6））

FeO+CO=Fe+CO₂ "（（7））

溫度小于570 oC℃時：

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂ """""""nbsp;"""（（8））

Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂ """"""""（（9））

2.3 "邊界條件設置

本文對相同發(fā)熱量的三3種燃料比例進行對比研究，其中煤粉占燃料總量的比例α分別定義為25%、30%、35%，根據(jù)一定的分配比例，可以得出各通道入口的質(zhì)量流量。同時，根據(jù)各通道的入口面積，可以計算出各通道入口的風速。各通道邊界條件具體各通道的參數(shù)如表1所示。

3 "結(jié)果與討論

3.1 "速度場

圖3為α=30%時燒嘴附近速度矢量回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部速度矢量。由圖3可知，燒嘴附近的速度矢量呈軸對稱分布，且能明顯地的觀察到外部循環(huán)區(qū)與中心內(nèi)循環(huán)區(qū)。這可能是由以下幾個原因造成的：一是由于旋流風的存在，使得回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣相湍動更加劇烈，產(chǎn)生回流現(xiàn)象；二是由于高速的軸流風和低速的二次風之間的速度差，造成燒嘴附近空氣卷吸形成外循環(huán)區(qū)。外部循環(huán)區(qū)主要挾帶主要夾帶高溫氣流可以來預熱煤粉顆粒，同時增大回轉(zhuǎn)窯內(nèi)換熱量，同時又避免高溫區(qū)域與回轉(zhuǎn)窯壁面直接接觸，起到保護回轉(zhuǎn)窯壁面的的作用。而中心內(nèi)部循環(huán)有助于煤粉的燃燒和火焰的穩(wěn)定。這與文獻^[9]計算結(jié)果相一致。

3.2 "不同燃料比例溫度場

比較了在不同α值下Z=0時縱截面上的溫度分布，不同燃料比例溫度場如圖4所示，不同燃料比例溫度曲線如圖5所示。

由圖4可知，氣-固兩相混合燃燒所產(chǎn)生的火焰呈木棒狀的軸對稱分布，且不附著于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁。隨著α值的減小，火焰的峰值溫度逐漸降低，火焰的整體形狀變得更長、更寬，并逐漸向著回轉(zhuǎn)窯進料端移動。這是由于氣體燃料具有易于擴散、燃燒迅速、易于與空氣混合的特點。當CO等氣體燃料進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，會被迅速點燃，為煤粉燃燒提供所需熱量，從而提高了煤粉的燃燒速率。

因為在實際生產(chǎn)過程中，礦料的填充率為10%，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)添加的礦料高度約為1.4"m，因此選取Y=-1截面上的溫度云圖來表示礦料的煅燒情況。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中鎳鐵礦料的煅燒溫度要高于1"700"K。由圖5可以看出，隨著α值的增大煅燒區(qū)的范圍不斷增加，煅燒帶的長度由14.9"m增加到18.2"m。

4 "結(jié) 論

本文基于計算流體力學（（CFD）），對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部氣固兩相燃料燃燒規(guī)律進行了模擬，預測了不同α值下回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度場的分布，仿真結(jié)果表明得出結(jié)論如下：

（1）1）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的速度矢量呈軸對稱分布，且存在中心內(nèi)循環(huán)區(qū)與外部大循環(huán)區(qū)，有助于煤粉顆粒的燃燒與火焰的穩(wěn)定。

（2）2）不同比例煤粉與爐氣在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒規(guī)律中基本相同。爐氣燃料的先行燃燒為煤粉顆粒的燃燒提供所需要的熱量，之后煤粉顆粒揮發(fā)分迅速釋放，焦炭燃燒緊隨其后，隨著α值的減少峰值溫度逐漸降低，煅燒區(qū)域的范圍不斷增大，火焰結(jié)構(gòu)呈木棒狀分布。

（3）3）隨著α值的減少焙燒區(qū)域范圍從14.9"m增加到18.2"m，在實際生產(chǎn)過程中，工廠可以按照生產(chǎn)的需要，選用適當?shù)娜剂媳壤?，從而焙燒還原出滿足生產(chǎn)要求的礦料。

參考文獻：

[1] 馬梓艦，劉鵬，劉偉，等.礦熱爐煙道氣固兩相傳質(zhì)機理及沖蝕特性[J].材料與冶金學報，2022，21（4）：247-254.

[2] B?CKSTR?M D， JOHANSSON R， ANDERSSON K， et al. On the use of alternative fuels in rotary kiln burners—An experimental and modelling study of the effect on the radiative heat transfer conditions[J]. Fuel Processing Technology， 2015， 138： 210-220.

[3] GU H Y， HE P， MEI S X， et al. Numerical simulation of coal and natural gas co-combustion with different fuel proportions in a rotary lime kiln[C].2009 International Conference on Information Engineering and Computer Science. Wuhan， China. IEEE， 2009.

[4] 劉鵬. 預熱還原與礦熱爐流程匹配及爐窯熱工特性研究[D]. 沈陽：東北大學，2017.

[5] WANG M Y， LIAO B， LIU Y Q， et al. Numerical simulation of oxy-coal combustion in a rotary cement kiln[J]. Applied Thermal Engineering， 2016， 103： 491-500.

[6] GRANADOS D A， CHEJNE F， MEJíA J M， et al. Effect of flue gas recirculation during oxy-fuel combustion in a rotary cement kiln[J]. Energy， 2014， 64： 615-625.

[7] KANGWANPONGPAN T， CORRêA DA SILVA R， KRAUTZ H J. Prediction of oxy-coal combustion through an optimized weighted sum of gray gases model[J]. Energy， 2012， 41（1）： 244-251.

[8] 李全亮，梅書霞，謝峻林，等.回轉(zhuǎn)窯二次風富氧燃燒的數(shù)值模擬[J].過程工程學報，2022，22（11）：1565-1573.

[9] 廖斌，卿山，胡平，等.水泥回轉(zhuǎn)窯低NO_x燃燒器的NO_x的生成與控制的研究[J].材料導報，2015，29（S2）：202-206.

Simulation of co"-Combustion of Furnace Gas"and Coal

Powder"with Different Fuel Ratios"in a Rotary Kiln

LIN"Shu-hang，"LIU"Peng，"ZHAO Nan，"LAN Xiao-yu，"DU Jin-qi

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning Shenyang 113142，，China）

Abstract：""In order to solve the problem of energy waste in the"rotary kiln-relectric"furnace"process， based on computational fluid dynamics （CFD），"this paper established"a three-dimensional gas-solid two-phase fuel mixed combustion calculation model"was"established. FLUENT software was used to simulate and analyze the mixed combustion of pulverized coal and furnace gas of submerged arc furnace with different proportions in the rotary kiln， established a mathematical model of gas-solid two-phase mixed combustion"was"established， and"explored"the distribution of temperature field in the rotary kiln under different fuel proportions"was"explored."The results showed"that the velocity vector inside the rotary kiln exhibitsed"an axisymmetric distribution under different fuel ratios， and with the increase of gas fuel， the peak flame temperature gradually decreasesd， the range of high temperature zone gradually increasesd， and the length of the calcination zone in the calcination zone increasesd"from 14.9"m to 18.2"m.

Key words：""Rotary kiln; "Numerical simulation; "Gas solid mixed combustion; "Furnace gas recovery