DD分解炉分级燃烧减排Nox的数值模拟及优化研究

摘要

水泥预分解炉是水泥生产过程中重要的热工设备，也是水泥工业实现降低氮氧化物等有害气体排放的主要优化对象。近年来，如何运用理论或者实验的方法对分解炉的结构和工艺参数进行优化研究来实现节能减排，已经成为分解炉设计中必须解决的关键问题。本研究采用数值模拟的方法，结合定性与定量来分析研究分解炉内分级燃烧参数并对其进行优化设计。通过研究生料分解率、煤粉燃烬率及NO还原率等表征分级燃烧性能的指标来优化分级燃烧工艺参数，为分解炉内实现低NOx燃烧技术提供参考。
　　 本研究选用一产量6000T/D的DD型分解炉建立三维几何模型，借助商业CFD软件FLUENT对其内部的物理化学过程进行数值模拟，采用标准的2方程k-ε模型(近壁面的流动采用标准壁面函数进行简化)，煤粉颗粒的运动采用离散相随机轨道模型，其中挥发份的析出采用单步竞争模型，焦炭的燃烧采用扩散-动力学控制模型，生料的分解采用有限速率模型，控制方程采用有限体积法进行离散，采用SIMPLEC算法进行求解，全面的揭示了分解炉内流动、燃烧、分解及其耦合。并在此基础上展开了分级燃烧减少氮氧化物排放的数值模拟，通过在分解炉锥体部分增加一对脱硝喷煤喷嘴，并改变空气分级方式及分风、分煤、分料的比例等工况参数对分级燃烧进行优化设计。主要结论如下：
　　 (1)温度对分解炉内煤燃烧生成的氮氧化物有明显的影响。在分解炉温度范围内，氮氧化物的生产速率与温度成正比，且分解炉内温度分布越均匀，氮氧化物生成量越少。
　　 (2)对分解炉锥体部分增加的脱硝喷嘴优化表明：当脱硝喷嘴与三次风成平行方位、喷嘴中的煤粉入射角度为向上15度、喷嘴的安装高度为2m和分煤比例为20％时为最佳的脱硝喷嘴工况参数。
　　 (3)对空气分级方式的研究表明：当新增加的一对三次风入口与原三次风入口成平行方位且新三次风入口相对原三次风入口面积减半时为较佳的分级方式。
　　 (4)对分级燃烧的比例研究表明：同时分风分煤比单独分风效果好，且分风比例为7.78％和分煤比例为40％时为较佳的分级燃烧工况。
　　 (5)对生料分级比例的研究表明：当分料比例为50％时为最佳的工况参数。