水泥预分解窑系统内生料分解、煤粉燃烧与NO控制研究

摘要

水泥生产方法演变到今天，已经进入预分解窑生产技术占主导地位的时代。但预分解窑生产技术仍在继续发展和进一步完善中。生料的分解特性以及燃料的燃烧特性是工业分解炉优化设计、优化操作以及新型分解炉开发的重要依据。同时，随着水泥工业NOX排放标准的提高，开发水泥预分解窑系统低NOX技术及装备已成为必然趋势。所以，开展水泥预分解窑系统内生料分解、煤粉燃烧动力学及NOX生成与控制研究具有重要意义。 本论文总结和分析了水泥工业生料分解、煤粉燃烧动力学以及NOX生成与控制的国内外研究现状与进展，如何运用简单有效的动力学模型预测生料分解率和煤粉燃尽率仍是面临的主要问题。另外，国外对水泥预分解窑系统内NOX研究以应用技术居多，对回转窑内NOX生成机理研究开展较少。基于此，本文采用理论分析、模拟实验和计算机模拟研究相结合的方法对分解炉内生料分解、煤粉燃烧动力学以及回转窑内NOX生成与控制技术进行了深入系统的研究。本论文主要从以下几个方面开展研究工作： 应用热重分析仪对水泥生料及其相应的石灰石在氮气气氛、不同升温速率下的分解动力学进行了实验研究，改进了热分析动力学的数据处理方法，利用普适积分法、微分方程法以及多重速率扫描Kissinger法相结合的方法来确定生料的分解机理，求解动力学参数。研究结果表明：水泥生料及其相应的石灰石分解符合相边界反应的收缩圆柱体反应机理，并且还发现活化能E和指前因子A随实验条件的改变呈规律性的变化。 建立了一套模拟分解炉实验系统、实验方法以及数据处理方法。利用高温气固悬浮实验台对水泥生料在分解炉中的分解动力学过程进行了大量模拟实验，并利用实验系统的传递函数对检测数据进行了修正，建立了生料分解的动力学机理模型，获取了动力学参数。同时，考察了温度、气氛、压力、颗粒等因素对生料分解动力学的影响。实验结果表明：悬浮态模拟实验能较好地反映水泥生料在工业分解炉中的分解过程，界面化学反应的收缩圆柱体模型较好地符合实验数据。 利用高温气固悬浮实验台对水泥工业常用的几种煤焦的燃烧特性及燃烧动力学模型进行了理论分析及实验研究，考察了煤种、温度、粒径对煤焦燃烧特性的影响，得到了适用于分解炉中煤焦的动力学模型与参数。同时，从理论上利用悬浮态实验数据对耦合作用下生料分解动力学与煤焦燃烧动力学进行了尝试性分析，并对水泥工业常用的几种煤焦与生料的物性之间的耦合作用进行了实验研究。研究表明，某些生料与煤焦具有较强的耦合作用，因此，利用此种物料时，需相应考虑耦合作用下的动力学特性。 分析了四通道低NOX燃烧器的结构及降低NOX的原理，并按照几何相似与流动相似的理论，搭建了回转窑冷态实验台架，并采用先进的粒子成像测速仪（PIV）技术对四通道燃烧器的冷态速度场进行了定量测量，进行了不同的风量配比及风速分布对流场作用的实验，并定性的分析最优的配风方式。 对水泥回转窑内熟料形成的物理化学过程进行了深入地分析，建立了描述熟料形成过程热效应的区段一维热流函数模型，并结合已有气固流动、煤粉燃烧和NO生成模型，对采用四通道燃烧器的某3000吨/天生产能力的全尺寸水泥回转窑内NO的生成进行了数值模拟研究，对水泥回转窑内NO生成机理及分布规律进行深入的分析。研究结果表明：水泥回转窑内NO生成主要为热力型NO和燃料型NO，以热力型NO为主要生成方式，并且燃料NO与热力NO的生成过程存在着相互抑制作用；回转窑内的峰值温度和氧气浓度对热力型NO生成有明显的影响。