喷旋管道式分解炉内燃烧、分解过程的CFD模拟

针对水泥分解炉内煤粉燃烧、生料颗粒分解过程共存的特点,提出了相应的计算模型与方法,以CFX4为基础,采用用户软件,二次开发出模拟该现象的工程计算软件,并以工业化中实际使用的5 500 t/d的喷旋管道分解炉为对象,计算分析了炉内的煤粉燃烧、生料分解率在空间上的变化规律,探讨了炉内的湍流速度场及高温火焰燃烧区域、空气组分、颗粒体积浓度等的空间分布特征,指出了进一步优化的方向。     

分解炉空气分级燃烧及NOx排放特性研究

随着我国经济的飞速发展,作为重要基础材料的水泥产品需求量极大且趋于稳定。水泥生产过程中的NOx排放与燃煤火电厂和汽车尾气产生的NOx排放已成为空气污染的主要来源,而分解炉是降低水泥生产工艺中NOx排放的有效设备。笔者在引入高温烟气的模拟分解炉内进行空气分级燃烧试验,研究配风位置、配风比例以及石灰石/煤比例对分解炉内燃烧和NOx排放特性的影响规律。试验稳定过程中,高温烟气发生装置的给煤量和配风量保持不变。此时,高温烟气发生装置的时间平均温度为911℃,其产生的高温烟气温度稳定在750℃左右,高温烟气中NOx主要以NO和N2O的形式存在,其浓度分别为261.49×10^-6和12.96×10^-6。该股高温烟气将模拟实际回转窑产生的烟气进入分解炉内。在分解炉的上部区域(距离顶部0~2 000 mm区域)的温度为800~1 000℃,与实际分解炉运行温度一致,排放烟气中NOx主要以NO和N2O形式存在。随着中间配风位置的下移,煤粉燃烧放热区域下移,而顶部区域的石灰石吸热量变化较小,则原有热量平衡被打破且原有吸热量高于现有放热量,导致顶部区域内燃烧温度降低。此时,还原气氛中煤粉燃烧和石灰石分解反应时间均变长,导致NOx的还原反应更加充分。但石灰石分解产生的氧化钙(CaO)作为中间产物会促进NO的生成反应,其反应时间增加也促进了NO的生成;另一方面,石灰石作为催化剂参与焦炭和挥发分还原NO的反应过程,分解炉顶部区域的温度下降使得该还原反应变弱。综上,NO的最终排放浓度是以上反应的综合结果。随着配风位置的下移,该变化对NO的生成作用更加明显,故NO的排放浓度逐渐升高。当一级风量与二级风量的配风比例降低时,分解炉上部区域的煤粉燃烧份额减少和石灰石分解量降低,而分解炉下部区域的煤粉燃烧份额增加和未分解的石灰石份额增加,但石灰石的吸热增加量高于燃烧增加份额的放热量,因此分解炉内整体温度均降低。分解炉内NO浓度是由石灰石催化的氧化过程和还原过程综合决定的。一级风量变小时,尾部CO浓度随之增加,烟气中NO浓度呈现降低的趋势。当石灰石/煤比例增加时,分解炉内沿程温度逐渐下降。随着石灰石给粉量增加,分解炉内石灰石受热分解产生的CaO浓度增加,CaO催化NO还原反应更剧烈,从而NO浓度逐渐降低。而石灰石给粉量增加和分解炉温度降低的过程导致尾部的CO浓度升高。     

六级预分解系统煤粉配比计算研究

以六级预热预分解系统为模板,通过物料和热量平衡计算,分析了增加入炉燃料量对系统参数的影响。结果表明,随着分解炉喂煤比例的逐渐增大。各级预热器和分解炉出口的气体温度及入窑物料温度逐渐升高。炉中煤粉燃烧率和碳酸盐分解率随炉煤比例的增大而提高,炉煤比例超过73%后,碳酸盐分解基本完成。随炉煤比例的增大,熟料产量大幅提高,热耗有所下降。但考虑到系统的稳定性,炉煤比例控制在71%~73%较为合理。     

串联NMFC分解炉操作经验

《水泥》2003年第3期介绍了我厂分解炉的串联改造技术,本文介绍串联分解炉的操作经验。1串联NMFC分解炉主要参数的控制1.1点火时的控制参数窑系统点火后按升温曲线进行烘窑,因低挥发分煤焦炭粒子较致密,不利于氧气和燃烧产物的扩散和热量的传递,起燃温度在600～700℃,需用油枪喷柴油来引燃煤粉,当形成稳定燃烧火焰时停止喷油。继续升温,当窑尾烟室温度达到1000℃左右时,开启流化风机,阀门开度50%,窑速控制在1r/min,开始往NMFC炉内供煤,然后把C4分料阀下料比例控制在50%(即入DD炉与入NMFC炉物料相同),这时即可投料,初始投料量控制35t/h…     

富氧条件下分解炉三维流场数值模拟

以前期实验为基础,将某水泥厂KDS分解炉为原型修改成富氧燃烧的分解炉,运用fluent软件,模拟30％氧气浓度下,炉内气固两相流,根据速度云图、压力云图、CaCO3分解率的结果显示,炉内流场与实际工况较为一致,说明结果具有一定可靠性;温度云图整体高出实际工况,反映出富氧燃烧能够使分解炉内煤粉燃烧更加充分,提高燃烧效率的优点,在水泥行业中有很好的应用前景.     

涡旋式分解炉中煤及垃圾衍生燃料共燃烧耦合CaCO3分解的数值模拟

针对一实际尺寸的带下置涡流室的分解炉进行了数值模拟,探讨了煤、垃圾衍生燃料（RDF）两种燃料共燃与碳酸钙分解相耦合的化学反应过程。计算所得煤粉及RDF燃烬率分别为99%和100%,碳酸钙分解率为95%,与工程实际数据吻合较好。结果表明：煤粉自涡流室顶部入炉后,先向下俯冲,再在气流的携带下转而向上运动,在分解炉柱体部分螺旋上升,其燃烧时以焦炭燃烧占主导,在涡流室上方的锥体部分及锥体部分上方的下半柱体部分形成主燃区;RDF自分解炉柱体部分下部水平入炉后,先运动至中部,旋即与煤粉流交织在一起螺旋上升,其燃烧时以挥发分燃烧占主导,在分解炉下半柱体部分形成主燃区;CaCO₃自涡流室顶部入炉后,首先在涡流室及其下方的锥体部分做涡旋运动,一部分因吸收高温气流的热量而分解,剩余大部分上旋至燃料主燃烧区,因吸收燃烧所释放的热量而分解;燃料燃烧放热与CaCO₃吸热分解相耦合后,最终在分解炉柱体部分形成了均匀、稳定的温度场。     

不同生活垃圾处置量时分解炉风煤调节

基于某水泥企业入炉煤粉、生活垃圾的工业分析、元素分析结果,从热量平衡角度探讨了不同生活垃圾处置量时分解炉煤粉用量和三次风量的调节。计算结果表明,当生活垃圾处置量由0t/h增加到7t/h、15t/h时,尾煤用量分别降低了8.36%和17.19%,三次风用量分别降低了3.20%和6.04%。     

分解炉内混煤燃烧最佳三次风速的模拟研究

针对某公司5500 t/d三喷腾分解炉内混煤燃烧效果不佳的问题,利用FLUENT软件,采用二步竞争反应模型及二混合分数方法,对炉内不同三次风速下的速度场、温度场及组分场进行模拟研究,得到了三次风对混煤燃烧的影响规律,并对模拟结果进行了验证. 结果表明,二混合分数方法模拟结果符合混煤在分解炉内的实际燃烧情况;三次风速为26 m/s时,混煤的主要燃烧区域占分解炉的2/3,煤粉燃烧的最高温度为1940 K,煤粉的燃烬率为95.45%,分解炉内的温度分布满足生料分解的要求,避免了结渣.     

分解炉内CO_2含量对燃煤NO释放特性的影响

在模拟分解炉悬浮及喷腾状态的试验台架上,分别考察了不同温度及掺混生料的情况下,CO2含量对典型煤种在水泥分解炉条件下燃烧释放NO的影响规律。结果表明:在研究的温度范围(850～950℃)内,温度升高会促进燃料氮向NO的转化,而气氛中CO2含量升高时,温度对NO转化的促进作用减弱;水泥生料对煤粉燃烧NO的生成具有很强的催化作用,CO2通过抑制水泥生料中CaCO3的分解抑制了其对NO的生料的催化作用。     

喷腾分解炉内流场优化的数值仿真研究

采用标准k-ε双方程模型和SIMPLE方法对喷腾分解炉内流动特性进行了数值模拟,通过增设分解炉的中部缩口、柱体的尺寸、入口气流的流速以及增加旋流风,在不同条件下得到了炉内的流场分布情况,并进行了比较和分析,为分解炉的结构和工况的优化设计提供了参考依据。研究表明:喷腾分解炉内流场主要为喷射流,不易产生较强烈的横向混合和必要的逆向物料返混。结构和工况参数的变化,延长了气流的运行轨迹,适当地增加气流的横向运动,将有利于延长物料的停留时间、物料的分散和煤粉燃尽率和CaCO3分解率的提高。同时,数值模拟结果将为优化分解炉设计和流动参数提供理论依据。     

分解炉内流动特性数值模型的探讨

分解炉是预分解窑技术的关键设备，具有燃料燃烧、气固传热、碳酸盐分解等功能。为充分了解分解炉的性能，应用适宜的模型来模拟分解炉内部三维流场是很有意义的。在借鉴分解炉物理模型和流体力学的湍流模型的基础上，对华新水泥厂采用的喷腾式和旋喷式分解炉进行了分析，提出两种数学模型，为优化分解炉结构设计提供了理论依据。     

水泥回转窑用无烟煤作燃料的技术措施

无烟煤作水泥生产用燃料是一个牵涉烧成系统乃至煤粉制备系统的新技术。不同类型的回转窑在用无烟煤作燃料时的技术有所区别。对预分解窑来讲，必须提高无烟煤在分解炉中的燃烧温度、时间和空间，减少CaCO3分解过程同一时间的吸热量，改善无烟煤着火和燃烧的环境。     

分解炉中煤粉燃尽特性的试验研究及评价

通过高温悬浮试验反应台模拟了不同温度和O2情况下,水泥工业所用的4种典型煤粉的燃尽特性。试验表明,温度提高、燃烧气氛中O2含量的增加有利于提高煤粉的燃烧效果,尤其对无烟煤有较大的影响,但温度及O2的进一步增加对烟煤的影响则较小。根据煤粉的燃烧特性,结合分解炉的特点提出了评价分解炉中煤粉燃尽特性的特征燃尽度和相对燃尽时间,认为只要出分解炉煤粉燃尽度≥90%即可确保分解炉设计的可靠性及合理性。根据煤粉在特征燃尽度下的相对燃尽时间可指导实际分解炉的开发和对现有分解炉实施改造,以确保和提高煤粉在分解炉中的燃烧效果,从而保证分解炉的运行可靠。     

电石渣与石灰石热分解特性比较及电石渣热分解动力学

用热分析曲线比较电石渣和石灰石分解特性.通过热分析得到电石渣中氢氧化钙和石灰石中碳酸钙分解热耗分别为72.253kJ/mol和142.933kJ/mol;热力学计算氢氧化钙和碳酸钙理论分解热耗分别为101.625kJ/mol和166.232kJ/mol,热分析结果比热力学计算值低.采用Melak法求得电石渣中氢氧化钙分解的活化能Ea=124.01kJImoi,反应机理函数微分形式为,f(a)=(1-a)2/3(其中a为相应物质转化率),动力学因子为20.92.     

IGCC示范工程煤气化炉的数值模拟

采用Aspen Plus流程模拟软件对某拟建的IGCC示范工程的德士古煤气化炉进行数值模拟,通过考虑碳的不完全转换对计算流程进行了改进,并运用CPD模型预测煤热裂解的产物分布.研究了煤气化炉的重要操作参数(即水煤浆浓度、氧煤比、气化压力和气化温度)对气化结果的影响.在计算区间内,发现高浓度水煤浆浓度范围内,随浓度的增加,煤气的主要成分(H2+CO)的总含量增加.气化温度增大到1400℃左右时,煤气的主要成分随气化温度的进一步增加会趋于一个恒定值.     

褐铁矿的煤泥球团直接还原

以煤泥为还原剂,考察了其种类及用量、还原温度与时间以及CaCO3添加量等对褐铁矿中铁氧化物直接还原的影响,研究了不同条件下还原产物中铁矿物的存在形式,考察了添加剂用量对含碳球团熔融分解的影响. 结果表明,煤泥C还原效果最好,其用量30%,CaCO3添加量3%,在1250℃下直接还原30 min,含碳球团金属化率达94.02%. 铁在产物中主要以金属铁颗粒存在,粒度多大于30 mm,添加3% CaCO3使渣铁分离效果明显,有利于产物分离. 表明煤泥是一种良好的褐铁矿还原剂.     

综合热分析法研究催化剂对煤粉燃烧过程的影响

利用综合热分析仪研究了Ce2(CO3)3, CeO2, CaCO3, CaO 四种化合物对煤粉燃烧过程的影响. 重点研究了稀土金属化合物Ce2(CO3)3在不同添加量和不同粒度时对煤粉燃烧过程的影响. 结果表明,Ce2(CO3)3能够显著促进煤粉的燃烧过程,降低着火点温度. 添加量为1.0%时,煤粉着火温度降低约30℃,助燃性能优于其他3种催化剂. 在添加量小于1.0%时,Ce2(CO3)3添加量越大,着火温度越低. 在Ce2(CO3)3不产生团聚的情况下,催化剂粒径越小,煤粉的着火温度越低.     

轻烧氧化镁气流床煅烧炉热工过程及煅烧风量研究

轻烧氧化镁气流床煅烧炉热工行为研究是其热工参数优化、实现节能降耗的必需的基础性工作之一。基于Euler-Lagrange理论建立了某企业轻烧氧化镁气流床煅烧炉数值计算模型,籍此研究了炉内气固流动、传热及分解过程基本规律,并确定了现有产量下的适宜煅烧风量。结果表明：主炉内煅烧烟气旋流上升,温度中心高、壁面低;副炉内旋流效应骤减,温度趋于均匀;距离烟气入口4~18 m行程范围内,气固换热剧烈,物料快速分解,分解率达96%,而后于24 m处分解完全。将煅烧风量降至原有风量的91.22%、气料体积质量比降至1.46 Nm³/kg,不但提高了炉窑空间利用率,同时吨产品燃耗降低了8.78%。