涡旋式分解炉内煤粉与RDF共燃过程中的交互影响

梅书霞，谢峻林，陈晓琳，施 江，何 峰，金明芳，杨 虎

(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070)



涡旋式分解炉内煤粉与RDF共燃过程中的交互影响

梅书霞，谢峻林，陈晓琳，施 江，何 峰，金明芳，杨 虎

(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070)

针对一实际尺寸的涡旋式分解炉，建立了煤粉与RDF共燃模型，通过数值模拟的方法研究了从不同高度入炉的煤与RDF共燃过程中的交互影响规律。研究结果表明：位于煤粉进口上方的RDF入炉燃烧后，对来自下方的未燃烬煤粉的燃烧具有一定的阻碍作用，使其燃烧速率降低了，进而使得交互作用区的温度有所降低；而位于RDF进口下方的煤粉燃烧后所产生的高温气流上升至RDF燃烧区后，则对RDF的燃烧产生了很强的促进作用，不仅使其燃烧速率提高了，而且使其燃烧路径缩短了；在燃料完全燃烧所释放的热量相等的前提下，当一部分煤粉被RDF替代后，炉内的温度梯度将变小，但平均温度会有所下降。

分解炉； 煤粉； RDF； 共燃； 数值模拟

1 引 言

作为一种可替代燃料，垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel，简称RDF)在水泥生产过程中的应用备受国外企业和政府的推崇[1-3]，近年来在我国也开始引起了重视[4-5]，但由于RDF与煤粉差异较大，当两者共燃时，分解炉中的流场将会受到未知影响，故不能盲目使用RDF替代煤粉，必须先探明两种燃料共燃时的交互影响规律。

随着CFD技术日益成熟，在分解炉流场研究中，数值模拟技术已经逐渐成为一种重要的工程研究手段[6-8]。关于分解炉中煤与RDF混合燃烧过程数值模拟研究的相关报道很少，本课题组在前期开展了相关研究工作，探讨了RDF与煤粉从同一进口喷入到分解炉中进行混合燃烧的燃烧特性[9]，研究了RDF与煤粉从同一高度不同位置进入到分解炉中共燃的燃烧过程[10]，获得了RDF与煤粉以不同方式混燃或共燃时分解炉内的流场变化情况，研究结果具有重要的理论指导价值。为了更深入地研究燃料喷入位置的改变对两种燃料共燃的影响，基于已有的研究成果，本文采用数值模拟的方法进一步研究了从不同的高度位置分别喷入煤粉和RDF时两种燃料的交互影响规律及炉内温度场变化情况，研究结果将为RDF入炉方式的选择提供重要的理论借鉴。

2 实 验

为了剖析煤粉燃烧与RDF燃烧的交互作用规律，进行了4组实验，如表1所示。其中，1#为原始方案，燃料全部为煤粉，其完全燃烧所释放的总热量为Q；基于1#方案，将30%的热量由RDF燃烧所替代(其余70%的热量则来源于煤粉的燃烧)，得到2#方案；为了与2#方案进行对照，只通入放热量为0.7 Q的煤粉，得到3#方案，只通入放热量为0.3 Q的RDF，得到4#方案。为了进行对照，四种方案所对应的其余初始条件和边界条件(如三次风风速)皆保持一致，其中三次风的通入量能保证4种方案中的燃料皆能完全燃烧。

表1 实验方案

3 模型与数值解法

3.1 几何模型

图1 分解炉几何模型及网格划分Fig.1 Structure and mesh of precalciner(a)structure;(b)mesh

针对某水泥厂一产量为5000 t/d的分解炉建立模型并划分网格，如图1所示。由图1(a)可见，烟气(来自于回转窑)从分解炉底部进入；三次风沿涡流预燃室的侧面以切线方向入炉；两股煤粉流自涡流预燃室顶部入炉；RDF喷入口在煤粉喷入口的上方，位于分解炉柱体部分的下部。图1(b)为网格划分图，其中在涡流预燃室部分采用细化的四面体型网格，而对其余部分采用高质量的六面体型网格。

3.2 数学模型

本研究涉及到气相(三次风/烟气)流动问题，气固(煤粉/RDF)二相流动问题和燃料(煤粉/RDF)燃烧问题。以ANSYS-FLUENT软件为平台，基于已有的分解炉数值模拟研究成果[9-11]，分别选用了Realizable k-ε双方程湍流模型、离散相模型(Discrete phase model)以及组分运输模型(Species transport model)结合涡耗散概念模型(EDC)对分解炉内煤粉与RDF共燃过程进行数值模拟。

3.3 边界条件及数值解法

对于进口(三次风进口和窑尾烟气进口)，均采用速度入口边界(velocity inlet)，且速度在进口处均匀分布，其中三次风和烟气的平均速度值分别为18 m/s、24 m/s；在分解炉鹅颈管部分出口处，采用压力出口边界(pressure outlet)。对于颗粒相(煤粉/RDF)，将其在进、出口处的运动方式设置为“逃逸(escape)”，这指的是颗粒在该边界处将保持原来的速率移动到计算区域以外。对于壁面(wall)边界，选取无滑移标准壁面函数，将颗粒相在壁面处的运动方式设为“反射(reflect)”，这指的是颗粒相运动至此边界面将发生反弹。此外，颗粒相的颗粒粒径服从Rosin-Rammer分布规律。所用煤样与RDF燃料的工业分析和元素分析结果分别如表2所示。

采用控制容积法对控制方程进行离散，使用一阶迎风差分方程组进行数值计算。采用SIMPLE算法对离散方程组的压力和速度求解。采用TDMA进行逐面迭代求解，其中收敛标准为：能量方程残差小于10-6，其余各项残差小于10-3。

表2 燃料的工业分析与元素分析

4 结果与讨论

4.1 气流流动特点

图2为分解炉内气流流线图。其中，图2(a)、图2(b)、图2(c)分别为三次风气流流线图、窑尾烟气气流流线图及整体气流流线图。在涡流室部分截取一横切面，其速度矢量图如图3所示。结合图2(a)和图3可见，三次风自涡流预燃室侧面切向入炉后首先沿炉壁旋转，而后在分解炉柱体部分沿着壁面螺旋上升。由图2(b)可知，来自回转窑的烟气自分解炉底部入炉后竖直上升，经过涡流室时因受到旋流三次风的影响而开始旋转，之后在分解炉中部呈螺旋状上升。由图2(c)可见，在竖直方向上向上运动的烟气流与在水平方向上横向旋转运动的三次风于涡流预燃室相遇后，一起上升至预燃室上方的锥体部分，随后沿着分解炉柱体部分螺旋上升，经过鹅颈管后，流线变直，最后气流从出口逸出。模拟计算结果表明，整体气流的最高停留时间高达13.8 s，平均停留时间为6.92 s。

图2 气流流线图 Fig.2 Gas streamlines(a)tertiary air;(b)flue gas;(c)mixed gas

图3 速度矢量图Fig.3 Velocity vector on transverse slice

4.2 燃料运动轨迹

图4 分解炉内燃料轨迹图Fig.4 Particles trajectory(a)coal;(b)RDF

图4为燃料的运动轨迹图，其中图4(a)为煤粉的轨迹图，图4(b)为RDF的轨迹图。由图4(a)可见，煤粉自涡流室顶部入炉后，先向下俯冲一小段距离，随后在气流的携带下上升至涡流室上方的锥体部分和柱体部分，其运动轨迹呈螺旋上升状，计算所得其最高停留时间为12.9 s，平均停留时间为6.44 s。由图4(b)可见，RDF自柱体部分下部入炉后，先横向运动至分解炉中部，再被气流所携带，沿着分解炉螺旋上升，计算所得其最高停留时间为11.3 s，平均停留时间为5.65 s。对比图4(a)、4(b)可见，煤粉在螺旋上升的过程中更贴近壁面一些，而相比之下RDF则更靠近分解炉中部一些，运动路径相对短一些，因此煤粉在炉内的停留时间比RDF略高。

4.3 燃料燃烧过程

煤粉进入分解炉中后，挥发分首先释放出来并迅速燃烧殆尽，同时焦炭开始着火燃烧，并在流经分解炉的过程中逐渐燃烬。RDF的特性与煤粉存在一定差异，由表2中RDF的工业分析数据可知，其挥发分和灰分较高，故可将其比拟为一种高挥发分高灰的煤种，其燃烧过程亦可分为两部分：挥发分释放/燃烧过程以及焦炭燃烧过程。

图5为煤粉燃烧时挥发分、焦炭的平均燃烧速率随分解炉高度(Z向)变化的关系曲线。为了研究煤粉与RDF共燃时RDF对煤粉燃烧所产生的影响，将3#方案(只通入放热量为0.7 Q的煤粉)与2#方案(通入放热量为0.7 Q的煤粉和放热量为0.3 Q的RDF)进行对比。由图5(a)可见，煤中挥发分的燃烧过程只存在于分解炉高度方向上的-2～0 m之间，其中峰值出现在分解炉高度方向约-1.14 m处，释放速率约为8.14×10-5kg/s。对比加入RDF的2#方案与未加入RDF的3#方案可知，在分解炉不同高度位置上，挥发分的燃烧速率差距并不大，两条曲线几乎重合。这是因为，RDF喷入口位于煤粉喷入口上方，位置高于煤中挥发分的释放、燃烧区域，故RDF的加入对于煤中挥发分的燃烧过程基本无影响。

由图5(b)可见，在焦炭的燃烧速率曲线上出现了三个相连的峰值区，其中第一个峰在 -1.6～-0.2 m区间，位于挥发分燃烧区间内(-2～0 m之间)，这表明在挥发分开始燃烧后，一部分焦炭也随之开始着火燃烧了；第二个峰的峰值较大，范围较宽，在-0.2～3.5 m的范围内，表明此区间为焦炭剧烈燃烧区；第三个峰位于3.5～7.3 m区间，峰值小于第二个峰。之所以出现了第三个峰且第二个峰峰值与峰的积分面积最大，是因为煤粉的喷入点有2个，两股煤粉入炉后，因为所处位置不同，因而运动路径及在分解炉各个部位的停留时间和所对应的燃烧速率也不相同。在两股煤粉共同燃烧的区域，燃烧最为剧烈，即为第二个峰；当燃烧速率低的那股煤粉继续向上运动并燃烧的时候，相应地又出现了一个燃烧剧烈区，即为第三个峰。将图5(b)中RDF加入前后的3#方案与2#方案进行对比可见，两条曲线所对应的前两个焦炭燃烧速率曲线几乎重合，表明煤中焦炭在Z<3.5 m范围内燃烧时并未受到RDF加入的影响；而第三个峰所对应的曲线则差别较大，表明在该区域内煤粉的燃烧过程受到了RDF燃烧的影响，这是由于煤粉的第三个燃烧峰正好位于RDF燃烧区内(见图6)所致，具体影响为：加入RDF后(2#方案)，位于RDF所在区域的煤粉焦炭的燃烧速率降低了。这表明，当少部分未燃烬的煤粉焦炭经过RDF区域时，煤粉焦炭的燃烧会受到RDF燃烧过程的阻碍作用。

图6为RDF燃烧时挥发分、焦炭平均燃烧速率随分解炉高度变化的关系曲线。为了研究煤粉与RDF共燃时煤对RDF燃烧所产生的影响，将4#方案(只通入放热量为0.3 Q的RDF)与2#方案(通入放热量为0.3 Q的RDF和放热量为0.7 Q的煤粉)进行了对比。观察图6，先分析4#方案所对应的燃烧速率曲线。综合图6(a)、图6(b)可见：挥发分与焦炭的燃烧区间分别为3.9～7.1 m 、3.9～7.9 m，两者的燃烧区间几乎相同，只是焦炭的燃烬终点略微滞后一些。对比两条曲线的峰值可见，挥发分的峰值位置(Z= 5.1 m)出现得比焦炭(Z= 6.3 m)早，且峰值(1.06×10-3kg/s)远高于焦炭的峰值(7.71×10-5kg/s)，这是由于RDF中挥发分的含量远高于固定碳所致(见表2)。将图6(a)、图6(b)中煤粉加入前后的4#方案与2#方案进行对比可见，加入煤粉后(2#方案)，RDF中挥发分与焦炭的燃烧峰值皆变高了，且燃烧区域缩小了，尤其是挥发分燃烧速率所受的影响比较大，这表明RDF的着火、燃烬时间皆提前了，且燃烧程度更剧烈了。由此可见，煤粉的加入对RDF的燃烧有很强的促进作用。

对比图5(b)、图6可知：当自下方入炉的煤粉与自上方入炉的RDF在分解炉中共燃时，在两种燃料的交汇区(3.9～7.3 m)，RDF的燃烧速率远高于未燃烬的残余焦炭的燃烧速率，这表明RDF的燃烧占主导，最终，煤粉的燃烧受到了一定的阻碍，而RDF的燃烧则得到了很大的促进。

图5 煤中挥发分、焦炭沿高度方向的平均燃烧速率曲线Fig.5 Devolatilization rate and char burnout rate of coal along Z direction(a)devolatilization rate of coal;(b)char burnout rate of coal

图6 RDF中挥发分、焦炭沿高度方向的平均燃烧速率曲线Fig.6 Devolatilization rate and char burnout rate of RDF along Z direction(a)devolatilization rate of RDF;(b)char burnout rate of RDF

4.4 温度分布状况

图7、图8分别为4种方案下分解炉内纵切面温度云图和纵向(Z向)平均温度曲线图。先通过3#方案来分析放热量为0.7 Q的煤粉单独燃烧时的温度分布情况，由图7(c)可见：在 0～8 m 的范围内出现了高温区，这是由煤粉燃烧所致(见图5中3#方案)；随后，燃烧所产生的高温气流沿着分解炉壁面螺旋上升(结合图4(a))，在上升过程中与温度稍低的气流进行热交换，至出口时，气流平均温度约为1800 K。再分析热量为0.3 Q的RDF单独燃烧时的温度场分布情况，由图7(d)可见，高温区在Z>6 m以后开始出现，这是由RDF在在Z>3.9 m时才开始燃烧所致(结合图6中4#方案)；随后，燃烧所产生的高温气流沿着分解炉螺旋上升(结合图4(b))，至出口时，气流平均温度为1500 K。对比图7(c)、图7(d)可见，煤粉燃烧所产生的温度极值更高，达到2200 K，且高温气流在上升的过程中更贴近于壁面；而RDF燃烧所产生的温度极值则相对较低，为2000 K，且高温气流在上升的过程中更贴近于分解炉中部，这与图4中两种燃料的运动轨迹相一致。当两种燃料共同加入时(图7(b))，结合图7(b)、图7(c)、图7(d)观察共燃时温度场的整体变化趋势可见，温度场在纵向上与单烧煤时更接近(图7(c))，而在横向上则受到RDF燃烧温度场的影响较大(图7(d))，最终，共燃时的平均温度值高于两种燃料分别单独燃烧时的值(对比图8中2#、3#、4#曲线)，但高温区的贴壁现象却有效地减弱了。值的注意的是，在两种燃料的交汇区(3.9～7.3 m)，共燃时炉内局部高温区温度有所降低(图7(b)中，2000 K)，而观察图8中2#曲线可见，在3.5～9 m的范围内，共燃时平均温度有所降低，这与图5(b)中共燃时煤中焦炭燃烧速率变低的现象相呼应，表明煤粉的燃烧受到了RDF的阻碍作用，从而对炉内的温度场产生了一定影响。

最后结合图7(a)、图7(b)，以及图8中1#、2#曲线，对在相同的燃料放热量前提下全煤燃烧(1#方案)与煤/RDF共燃(2#方案)的温度变化情况进行对比。从整体上看(图8)，当部分煤粉由RDF替代后，纵向上炉内平均温度下降了约200 K，但在横向上温度梯度变小了，高温区的贴壁现象减弱了(图7(a)、图7(b))。由此可见，使用RDF替代部分煤粉后，可以使得炉内的温度场变得更均匀，但为了获得与原始工况相一致的温度场和温度极值，需在等放热量替换RDF的基础上额外增加RDF的通入量。

图7 分解炉纵切面温度云图Fig.7 Temperature contours on vertical slice

图8 分解炉纵向平均温度曲线Fig.8 Average temperature along Z direction

5 结 论

(1)煤粉自涡流预燃室顶部入炉后，首先在涡流室上层旋转运动，迅速释放出挥发分并燃烧完全，同时一少部分焦炭开始着火燃烧；随后，残余焦炭在气流的携带下进入涡流室上方的锥体部分，开始剧烈燃烧；接着，焦炭往上运动进入柱体部分，继续燃烧；当未燃烬的残余焦炭运动至RDF入口附近时，其燃烧速率因受到RDF争氧燃烧的影响而降低，从而使得该区域内的燃烧温度也因此而稍有降低；最终，焦炭在分解炉下半柱体部分燃烬;

(2)RDF自柱体部分下部进入分解炉后，先横向运动至分解炉中部，迅速释放出挥发分并燃烧，几乎同时焦炭也开始迅速着火燃烧；随后，RDF被气流所携带，沿着分解炉螺旋上升，继续燃烧。在RDF燃烧过程中挥发分的燃烧占主导作用。与单烧RDF相比，当RDF与煤粉共燃时，在RDF下方的煤粉燃烧所产生的高温气流运动至RDF所在区域后，对RDF的燃烧具有很强的促进作用，使得RDF的燃烧区提前了，且燃烧速率也提高了;

(3)在燃料完全燃烧所释放的总热量相等的前提下，当一部分煤粉被RDF替代后，高温区贴壁的现象得到了有效改善，炉内的温度梯度减弱了，但平均温度却下降了，因此为了获得与未使用RDF时的原始工况相一致的温度场，需在等放热量替换燃料的基础上进一步增加RDF的通入量。

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Co-combustion Interaction of Coal and Refuse Derived Fuel in a Swirl-type Precalciner

MEIShu-xia,XIEJun-lin,CHENXiao-lin,SHIJiang,HEFeng,JINMing-fang,YANGHu

(School of Material Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

To explore the co-combustion mechanism and interactive influence between pulverized coal and refuse derived fuel injected into the precalciner from different height, numerical simulation was executed aiming at an actual swirl-type precalciner. The results show that the combustion of the refuse derived fuel injected into the precalciner above the coal inlet hinders the combustion of those unburned pulverized coal came from below, resulting in a lower burning rate and a lower temperature in the interaction zone. On the contrary, when the high temperature gas generated from coal combustion rises up to the combustion zone of the refuse derived fuel, the combustion of the refuse derived fuel is highly promoted with not only an increased burning rate but also a shorter burning path. Under the condition of the same total heat production from fuel, when part of pulverized coal was replaced by refuse derived fuel, temperature gradient in the precalciner will be smaller, however, the average temperature will decline.

precalciner;pulverized coal;refuse derived fuel;co-combustion;numerical simulation

国家自然科学基金青年科学基金项目(51502221)

梅书霞(1980-)，女，博士，高级实验师.主要从事燃料燃烧及污染物控制研究.

谢峻林，教授.

TQ172

A

1001-1625(2016)12-4054-06