分解炉分级燃烧低NO_x释放特性研究

发布时间：2020-11-21 00:03

　　 随着中国经济日益发展,环境污染程度也在增加,水泥行业紧随火力发电和汽车尾气,成为我国污染物排放的第三大户。分解炉在水泥生产工艺中占有重要地位,是水泥行业降低NOx的主要环节,因此,优化分解炉结构和工艺参数,实现节能减排,已经成为分解炉设计及运行中必然的趋势。论文以分解炉作为研究对象,建立三维几何模型,利用CFD软件对分解炉基础工况煤粉燃烧和生料分解进行了数值模拟研究,同时将模拟数据与实测数据进行对比,验证了数值模拟方法及选取的数学模型的可靠性和正确性,并且对分解炉进行了不同工况的数值模拟优化研究。分解炉基础工况数值模拟研究主要研究了该工况下炉内的空气动力场、温度场、组分场、Ca CO3和Ca O分布、NOx浓度场,同时与实测数据对比,验证结果的可靠性和准确性。研究结果表明:分解炉空气动力特性分布良好,速度分布有规则性,在分解炉底部形成两个对称的回流区域,有利于物料往返和增加煤粉颗粒停留时间。炉膛温度分布均匀,主燃区温度可达1500~2200 K之间,满足生料分解的温度要求。分解炉内温度较高的区域,O2质量分数相对较低,CO和CO2的质量分数较高。Ca CO3浓度随着炉膛高度的增加一直减少,Ca O浓度随炉膛高度呈增加趋势。沿着炉膛高度方向上,NOx的高浓度区域主要分布在分解炉下部圆柱体燃烧区域和分解炉中部圆柱体上三次风管附近,在分解炉上部圆柱体NOx的浓度逐渐趋于稳定,浓度值达到617.7 mg/m3。其数值模拟结果与实测数据对比,误差在可接受范围内,其数值计算方法和模拟结果正确。不同工况下分解炉数值模拟优化研究,分别研究了不同烟气速度、不同三次风速度、不同缩口和不同生料配比对煤粉燃烧特性和NOx释放规律的影响。研究结果表明,烟气速度越大,炉内整体温度越高,但烟气速度增加到30 m/s时,温度是下降的,同时烟气速度越大,炉膛出口平均NOx浓度从371.2 mg/m3上升到846.8 mg/m3。不同三次风速度工况下的温度都能满足生料分解,在下部三次风风速为v=36 m/s时,NOx浓度最低为413.8 mg/m3,但综合考虑温度分布均匀,炉膛出口存在局部高浓度NOx,生料分解效率等因素,选择下部三次风风速v=20.1 m/s合适,此时分解炉出口NOx平均浓度为499.9 mg/m3,比基础工况低117.8 mg/m3。缩口半径为2.4 m时,温度满足生料分解,各组分分布合理,炉膛出口平均NOx浓度最低,达到346.6 mg/m3。A和B入口生料配比为20%,C和D入口生料配比为30%工况下,温度分布均匀,出口截面NOx平均浓度最小,达到329.9 mg/m3。论文关于分解炉的数值模拟结果为分解炉实际运行数据提供理论依据,为分解炉组织燃烧和降低NOx排放提供参考。
【学位单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X781.5;TQ172.622.26
【部分图文】：

1.1 研究背景及意义1.1.1 背景概述能源是人类活动过程中不可缺少的物质基础，是促进生产力发展和社会进步的源泉，是整个国民经济快速稳定发展的关键。当今世界，人口数量的不断增长和经济的快速发展刺激着能源的消耗，据《BP 世界能源展望（2017 年版）》（称《展望》）预测，2015 年至 2035 年期间，全球能源需求将预期增长 30%左右，年均增长 1.3%，预测推动世界经济主要能源来源仍将是石油、煤炭、天然气，其占 2035 年能源供应总量的 75%以上[1]。由于我国“富煤、少油、贫气”特殊的能源结构和 13 亿人口能源需求，现阶段其工农业发展主要依靠煤并且在未来的几十年内，煤炭将长期作为我国一次能源消费的主导能源。据《能源发展“十三五”规划》预测，从 2015 年到 2020 年我国能源消费结构中，煤炭消费占比将由 64%下降到 58%以下，其 2015 年我国一次能源消费结构图和 2020 年我国一次能源消费结构展望分别如图 1-1 和图 1-2 所示[2]。

1.1 研究背景及意义1.1.1 背景概述能源是人类活动过程中不可缺少的物质基础，是促进生产力发展和社会进步的源泉，是整个国民经济快速稳定发展的关键。当今世界，人口数量的不断增长和经济的快速发展刺激着能源的消耗，据《BP 世界能源展望（2017 年版）》（称《展望》）预测，2015 年至 2035 年期间，全球能源需求将预期增长 30%左右，年均增长 1.3%，预测推动世界经济主要能源来源仍将是石油、煤炭、天然气，其占 2035 年能源供应总量的 75%以上[1]。由于我国“富煤、少油、贫气”特殊的能源结构和 13 亿人口能源需求，现阶段其工农业发展主要依靠煤并且在未来的几十年内，煤炭将长期作为我国一次能源消费的主导能源。据《能源发展“十三五”规划》预测，从 2015 年到 2020 年我国能源消费结构中，煤炭消费占比将由 64%下降到 58%以下，其 2015 年我国一次能源消费结构图和 2020 年我国一次能源消费结构展望分别如图 1-1 和图 1-2 所示[2]。

图 1-3 分级燃烧机理图Fig.1-3 Staged combustion mechanism diagram研究现状的研究现状及进展流场的研究方法很多，通常总结为实验研究和理论研冷模试验与热模试验和热工标定等。通过冷模试验与分解炉具体的空气动力特性、物料停留时间和运动轨律[10-12]；热工标定则通过在运行分解炉的合适位置布炉内气一固两相运动规律；关于理论研究，可以研究生料分解特性，及这些主要特性的影响因素[13-16]。者对于分解炉的优化设计和低 NOx燃烧特性进行了泥生料及其分解产物存在的分解炉内的煤粉燃烧过技大学与天津水泥设计研究院有限公司进行了一系
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本文编号：2892214