水泥回转窑内NO生成的模拟

　第57卷　第11期 化 工 学 报 Vol 157　No 111

　2006年11月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China ) November 2006

研究论文

水泥回转窑内NO 生成的模拟

王世杰1,陆继东1,李卫杰1,任合斌1,李　捷1,胡芝娟2

(1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074;2

天津水泥工业设计研究院,天津300400)

摘要:采用气固流动、煤粉燃烧和NO 生成模型,结合物料烧成过程的物理化学反应热效应的一维热流函数,

对采用4通道燃烧器的某3000t ・d -1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 ,并且以热力型NO 为主要生成方式,燃料NO 主要在窑头的燃烧带产生,热力NO 主要产生于高温烧成带,并且燃料NO 与热力NO 的生成过程存在着相互抑制作用.关键词:水泥回转窑;NO 生成;数值模拟中图分类号:TQ 53419 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2006)11-2631-07

Numerical simulation of NO formation in cement rotary kiln

WANG Shijie 1,LU J idong 1,LI Weijie 1,RE N Hebin 1,LI J ie 1,H U Zhijuan 2

(1S tate Key L aboratory of Coal Combustion ,H uaz hong Universit y of S cience and Technolog y ,

W uhan 430074,H ubei ,China;

2

Tianj in Cement I ndust ry Desi gn &Research I nstitute ,Tianj in 300400,China )

Abstract :Based on a set of mat hematical models describing t he p hysical and chemical processes (gas 2solid flow ,p ulverized coal combustion ,zone heat flux of clinker ,and NO formation and reduction )in a cement rotary kiln ,t he dist ributions of gas temperat ure and gas component s (O 2,CO ,NO )were obtained by numerical simulation of a 3000t ・d -1f ull scale cement rotary kiln wit h four 2channel burner 1Besides ,t he mechanisms of NO formation and reductio n in t he cement rotary kiln were analyzed 1The result s indicated t hat t he amount of NO mainly came from t hermal NO and f uel NO.Thermal NO played a dominant role in t he NO amount 1Fuel NO was mainly formed in t he combustion zone ,while t hermal NO was mainly formed in t he high temperat ure sintering zone 1In addition ,mut ual inhibition existed in t he formation process of f uel NO and t hermal NO.Key words :cement rotary kiln ;NO formation ;numerical simulation

2005-09-30收到初稿,2006-01-25收到修改稿.

联系人:陆继东.第一作者:王世杰(1977—

),男,博士研究生.

基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2002AA529150).

引　言

氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一.由于水泥回转窑是水泥工业NO x 的主要产生源头,随着国家对水泥工业NO x 排放标准的不断提高,迫切需要对回转窑内的NO x 生成机理及分布规律

进行深入的研究,以寻求更好的低NO x 燃烧技术[1].

Received date :2005-09-30.

Corresponding author :Prof.L U Jidong.E -mail :jdlu @mail 1hust 1edu 1cn

Foundation item :supported by t he High -tech Research and Development Program of China (2002AA529150).

近年来,国内外的一些研究者或者水泥公司对水泥回转窑降低NO x 的理论与技术进行了一定的研究工作.Scheuer 等[2]对水泥悬浮预热器回转窑的NO x 生成机理进行了分析,并利用NO x 生成的

均相反应动力学考察了温度、过量空气系数以及二次燃烧对氮氧化物生成的影响.Salmento 等[3]和

谢国华[4]对影响回转窑烧成带NO x 生成量的因素进行了分析,如最高火焰温度、火焰形状、过量空气系数、物料在烧成带的停留时间以及窑气在烧成带的停留时间等,提出控制水泥回转窑氮氧化物排放的主要措施应该放在低NO x 燃烧器的开发上.Smart 等[5]在模拟回转窑实验台上考察了单通道燃

烧器和多通道燃烧器降低NO x 的效果,发现采用多通道燃烧器通过改变燃烧条件可以抑制NO x 的生成.

虽然国内外的研究者对回转窑内NO x 的生成进行了大量的研究,但是多数的研究都是通过回转窑实验台或者半工业实验完成的.由于回转窑运行的自身特点,使得他们对窑内NO x 的生成及分布规律无法进行测量,得到的仅是窑尾的各项参数.同时,又由于回转窑内煤粉燃烧、高温传热、熟料烧成等一系列复杂物理化学过程,使得对水泥回转窑窑内过程的模拟还存在很多不确定性,并且没有模拟NO 的生成.国内外的一些研究者仅仅模拟了回转窑内煤粉燃烧过程,但没有考虑熟料生成过程对火焰的影响[627];有的研究者将回转窑沿轴向分成若干区域,并考虑简单的几个熟料生成反应,通过能量和物料平衡得到了窑内气体、物料以及窑壁温度沿窑长的一维变化规律[829];叶旭初[10]采用“区段法”和“主控过程”的研究思路,将回转窑轴向分为窑尾段、换热段、煤粉燃烧段和冷却段,认为煤粉燃烧段主要提供高温环境,熟料烧成所需要热量由自身反应热提供,并模拟了预热器回转窑内过程.Mastorako s 等[11]也通过考虑熟料的几个

简单的动力模型,借助于商业软件FLOW 3D 和RAD 3D 得到了窑内气体的温度分布,但没有给出

各气体组分,特别是NO x 的生成与分布规律.

本文主要通过对新型干法水泥预分解回转窑内熟料生成过程的分析,建立了熟料生成的区段热流模型,结合气固流动、煤粉燃烧和NO 生成的数学模型,并借助于商业软件(FL U EN T )对采用4通道燃烧器的全尺寸水泥预分解回转窑内NO 的生成进行了三维数值模拟,并分析回转窑内各组分的分布规律及NO 的生成机理,为深入了解水泥回转窑内的NO 的生成过程及低NO x 燃烧器的开发提供新的途径.

1　物理数学模型

111　新型干法水泥预分解回转窑工艺及氮氧化物

的生成

图1为新型干法水泥回转窑系统模型的结构示意图.生料首先被加入一系列悬浮预热器,然后进入分解炉,在其中大部分被分解.物料经过预热、分解,然后从窑尾加入窑中,在窑内进行烧成过程,最终烧成的水泥熟料从窑头卸入冷却机.约45%煤粉从窑头的燃烧器喷入,在回转窑中放热高

温燃烧,满足熟料形成的各工艺带需要.一次风温度较低,从燃烧器各通道喷入,来自冷却机的高温二次风从燃烧器与回转窑之间的空腔中喷入,燃烧生成的烟气经窑尾烟室进入分解炉.煤粉在回转窑及分解炉两处燃烧,由于回转窑内温度较高,会生成大量的热力氮氧化物;分解炉中温度较低,主要以燃料氮氧化物为主.同时,从回转窑与分解炉的连接方式看,如果合理组织分解炉燃烧可以还原窑

Fig 11　Abridged general view of modern dry process cement rotary kiln system

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