回转窑煤粉分级燃烧NOx 排放的数值模拟

2021-05-24张林进

工业炉 2021年2期

张林进，唐丹

（江苏中圣园科技股份有限公司，江苏南京211102）

回转窑是石灰、水泥生产装备中比较先进的窑型，因其具备生产能力大、原燃料适应性强、成品质量均匀稳定、机械化程度高等优点，而被广泛应用于钢铁、冶金、煤化工等行业[1-2]。回转窑窑头采用单支多通道燃烧器进行集中燃烧，燃烧温度高，且燃料中带入含氮化合物，尾排烟气中NOx含量普遍偏高[3]。近年来，多通道燃烧器朝着强湍流、强回流、强旋流、浓缩燃烧、大推力方向发展，消除局部高温，形成局部还原环境，可降低烟气NOx排放[4-5]。但随着日益严苛的国家、行业及地方标准的出台，采用低氮燃烧器的石灰回转窑仍面临NOx排放超标的问题，这将成为制约正常生产的关键因素。国内部分石灰生产企业开始着手采用SNCR 脱硝、SCR 脱硝、湿法脱硫脱硝一体化技术进行NOx减排，属于燃烧后NOx控制手段，而对燃烧过程中NOx减排技术的研究及应用甚少。

本文针对石灰回转窑窑尾分级燃烧技术，采用Fluent 软件对煤粉分级燃烧进行模拟计算，探讨烟气氧含量、煤粉分配比例等工艺参数对NOx排放的影响规律，进而确定石灰回转窑采用窑尾分级燃烧技术的实施方案。

1 NOx 生成机理

煤粉燃烧过程中所产生的NOx，主要是NO 和NO2，其中NO 约占90%以上，而NO2只占5%～10%，因而在研究煤粉燃烧过程中的NOx生成时，一般主要讨论NO 的生成机理。从NO 的生成机理来看，主要有热力型、燃料型和快速型三种[6-8]。热力型NOx是由于燃烧空气中N2在高温下氧化而产生的，随着反应温度T 的升高，其反应速率按指数规律增加，当T<1300 ℃时，NOx的生成量很少，而当T>1300 ℃时，T 每增加100 ℃，反应速率增大6～7 倍。燃料型NOx主要是由燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化生成NOx。由于煤粉中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600～800 ℃时，含氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN 等中间产物基团，然后被氧化成NOx。由于煤粉的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型NOx的形成也由挥发份氮的氧化和焦炭氮的氧化两部分组成。快速型NOx不同于热力型、燃料型NOx，主要通过燃料燃烧时产生的CH 原子团撞击N2分子，生成CN 类化合物中间产物，如HCN。再进一步被氧化而生成NOx。对煤粉燃烧而言，快速型NOx与热力型NOx及燃料型NOx相比，其生成量少得多，一般占总NOx生产量的5%以下。

2 回转窑分级燃烧计算模型

2.1 分级燃烧技术简介

石灰回转窑分级燃烧技术是通过分配一部分燃料（总燃料量的5%～30%）到回转窑窑尾燃烧，提高预热器内石灰石的预热温度，减少回转窑燃烧器的煤粉量，从而降低回转窑内的燃烧温度，减少热力型NOx的生成，同时窑尾燃料处于低氧燃烧、局部欠氧燃烧状态，一方面可以控制局部燃烧温度，抑制热力型NOx的生产，另一方面可以还原窑头燃烧烟气中已生成的NOx。

预热器下料溜槽处设置4 根喷煤枪，喷枪沿圆周均布，将原回转窑总煤粉量的5%～30%送入预热器下部锥段进行燃烧。煤粉量独立计量，以精确控制窑尾煤粉分配比例，确保窑内燃烧的稳定性。根据预热器的工艺特点，该处不会有大量的石灰石物料积聚，只有当下料推头动作时，石灰石物料从此处下料进入溜槽并送入回转窑，同时，通过结构设计，保证煤粉喷枪出口具备一定的燃烧空间，减少煤粉燃烧受石灰石物料运动的影响。分级燃烧工艺如图1 所示。

2.2 几何模型及网格

几何模型依据400TPD 回转窑1∶1 构建，包含回转窑筒体、预热器溜槽、下料口以及出口环管等计算空间，窑头燃烧不在本研究范围内。几何模型及网格模型如图2、图3 所示，总网格数约175 万。

图1 分级燃烧工艺示意图

图2 几何模型

图3 网格模型

2.3 数学模型

本模型涉及到流动、燃烧及NOx生成等，因此其控制方程包括连续性方程、动量方程、能量守恒方程及组分质量守恒方程等[9-10]。

连续性方程：

式中：ρ—气体的密度，kg/m3

U—气体的速度，m/s

np—单位体积内的颗粒数，m-3

m—颗粒质量的转变速率，kg/s

动量方程：

式中：μ—动力黏度，Pa·s

μt—湍流黏度，Pa·sp—压强，Pa

k—湍动能，m2/s2

fD—颗粒的阻力，N

k-ε 双方程：

包括湍动能方程及湍动能耗散率方程

式中：σk、σε、Cε1、Cε2—经验常数，一般分别取值为σk=1.0，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92

Gk—湍动能产生项，kg/（s3·m）

能量方程：

式中：H—焓，J/kg

λ—导热系数，W/（m·K）

cp—粒子的比热容，J/（kg·K）

σH—经验常数

q—粒子的热传导量，W

组分方程：

式中：Yi—组分i 的质量分数

Γi—组分i 的扩散系数

Wi—组分i 的化学反应速率，kg/（m3·s）

2.4 边界条件

整个模型采用流动RNG 的k-ε湍流模型，采用标准壁面方程，燃烧采用涡耗散模型，边界条件采用进口速度边界、出口压力边界，煤粉颗粒为离散相形式以一定速度垂直煤粉枪入口进入窑尾。设定不同烟气氧含量，模拟窑内不同燃烧工况，并考察不同煤粉分配比例对尾排烟气NOx含量的影响规律，具体工况条件如表1 所示。

表1 工况条件

3 模拟结果及分析

以工况2 为例，采用Fluent 软件进行数值计算后的结果如图4 所示，（a）～（d）分别为纵截面速度矢量图、流线图、温度云图及NOx浓度分布图。

图4 工况2 模拟结果图

从图4（a）、4（b）可以看出，煤粉进入预热器下部锥段之后，形成一大一小两个回旋区，提高了煤粉颗粒在预热器中的停留时间，有助于煤粉的完全燃烧；图4（c）中，煤粉喷枪附近，存在着上下两个相对高温区，与（a）与（b）所示的回旋区吻合，同时，由于出口环管采用了渐扩管的形式，预热器上部温度分布比较均匀，有助于石灰石在预热器中的均匀受热；从图4（d）可以看出，NOx大量生成的区域存在于整个计算域的高温区，即煤粉大量燃烧的区域，这与理论是相符的。

3.1 煤粉燃尽率

5 种工况条件下的烟气出口平均温度为1400 K 左右，且随着煤粉量的增加而有所增加，这与实际工程数据有一定区别，其主要原因是模型中未耦合计算石灰石吸热分解过程，热量增加导致出口烟温升高。图5 是不同工况条件下的煤粉燃尽率变化曲线图。可以看出，5 种工况下，煤粉燃尽率均较高，达到90%以上，仅有少量煤粉未完全燃烧，同时，在实际工程中，煤粉随烟气进入石灰石料层后，将大量被拦截，进而继续燃烧，故采用回转窑窑尾分级燃烧技术可以保证煤粉燃尽率。

图5 燃尽率变化曲线图

3.2 烟气NOx 含量

图6 是不同工况条件下的烟气NOx含量变化曲线图。

图6（a）是在保持恒定的窑尾煤粉分配率的条件下，烟气NOx含量随窑头燃烧烟气中氧含量变化曲线图。可以看出，随着烟气中氧气含量的减少，出口NOx浓度明显减少，由243 mg/m3降低至177 mg/m3，说明NOx的生成与氧含量有着十分显著的关系，因此在实际生产应用中，在保证冷却风量、助燃风量的前提下，尽可能降低窑头燃料的空燃比，使得窑头燃烧烟气中的氧含量尽量减少以满足分级燃烧氧含量要求，这也是通过燃烧工艺控制NOx排放的常用手段[11]。

图6 出口NOx 浓度变化曲线图

图6（b）是在保持恒定的窑头燃烧烟气氧含量条件下，烟气NOx含量随窑尾煤粉分配比例的变化曲线图。可以看出，随着喷入煤粉量的增加，出口NOx浓度也随着增加，达到332 mg/m3，主要原因是由于煤粉量的增加，燃料中的含氮化合物总量随之增加，导致形成的NOx总量有所增加。同时，可以看出，随着煤粉量的进一步增加，其NOx浓度的增加速率在变缓，其主要原因是随着煤粉量的增加，窑尾的欠氧燃烧条件越好，致使部分已形成的NOx与燃料发生还原反应生成N2，因此其NOx的增加速率在放缓，同时考虑的窑头煤粉燃烧所生成的NOx，适当增加窑尾的煤粉量有助于减少整体NOx的排放。