DDF分解爐煤粉燃燒與生料分解耦合過程的數值模擬

陳作炳，湯 帥，項 勤

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

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DDF分解爐煤粉燃燒與生料分解耦合過程的數值模擬

陳作炳，湯 帥，項 勤

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

以某公司4 500 t/d水泥熟料生產線DDF型分解爐為研究對象，采用FLUENT軟件，氣相湍流模型選用k-ε模型，利用組分傳輸模型實現分解爐內煤粉燃燒與生料分解的耦合過程的數值模擬，得到了爐體內溫度場、各組分濃度場等，并將上述相關數據與工況對比，論證了數值模擬的正確性。

DDF分解爐 耦合過程 組分場 數值模擬

0 引言

1 數學模型

圖1 DDF分解爐物理模型[5]

本文中的研究對象為某公司日產4 500 t熟料生產線窯尾預分解系統中所用之DDF分解爐，該型分解爐是在DD分解爐(Dual Combustion and Denitration Precalciner)的基礎上開發而成[5-6]。

對于本文中所研究的DDF分解爐，采用k-ε標準雙方程模型，其湍流流動的控制方程組包括：連續性方程、x，y，z三個方向的動量方程、湍流動能k和湍流耗散率ε輸運方程，其封閉的微分方程組可以寫成如下統一形式[7-11]：

(1)

上述方程中φ為因變量(分別為各向速度u、v、w和湍流動能k及湍流耗散率ε)，Гφ為擴散系數。方程左側為對流項，方程右側前三項為擴散相，最后一項Sφ為源相。對于特定的φ具有特定的量Sφ和Гφ。

煤粉的燃燒主要是固定碳的燃燒和揮發分的燃燒。表1為煤粉工業分析及元素分析表。

表1 煤粉工業分析及元素分析

對于生料的分解反應，采用組分傳輸模型進行數值模擬。

2 分解爐工況參數及邊界條件

2.1 分解爐邊界條件

《辭源》、《辭海》關于銀河的解釋，“古謂之云漢，又名天河、天漢”，天河就是漢水。漢水又叫沔水。沔、奶古音同聲轉注，沔可讀為奶（mi），奶即“咪咪”；“咪咪”就是“媽媽兒”的意思，而“媽媽兒”在漢水流域指的就是乳房。故沔水即奶水，意即沔水澆灌哺育一方蒼生，是中國的母親河。

表2 分解爐工況運行參數

2.2 煤粉粒徑分布

煤粉的顆粒粒徑分布如表3所示。

表3 煤粉顆粒的粒徑分布統計

根據表3中對煤粉顆粒粒徑的統計，對粒徑分布的統計量擬合得到Rosin-Rammler分布。

3 煤粉燃燒與生料分解耦合數值模擬結果分析及驗證

3.1 數值模擬結果分析

根據圖2所示的z截面N2、CO2、O2、Vol平均摩爾分數及溫度分布曲線可以從側面反映出，分解爐內煤粉燃燒的情況。根據揮發分摩爾分數沿z向分布曲線，煤粉燃耗過程可以分為如下階段范圍，在z=0 m～6 m區域范圍內，爐體區域中，只有由還原燃燒器進入爐體的煤粉，煤粉受熱，其中的揮發分析出，但是由于窯尾煙氣中O2含量較低，因此揮發分析出后發生反應的部分也較少，揮發分含量一直升高，此區域內由于生料分解，所以CO2含量升高，N2、O2含量均為下降趨勢；在z=7 m附近區域，送煤風將大量煤粉由主燃燒器噴入爐體中，同時三次風入口1在該位置進入，三次風中富含大量O2，因此在該區域揮發分含量達到最大值；在z=7 m～20 m區域內，該區域為主燃燒區， 煤粉燃燒主要發生在給區域爐體空間， 揮發分含量迅速下降， O2作為反應物在三次風入口范圍達到最大值，隨后開始下降，反應產物CO2、N2含量逐步上升，燃燒反應穩定進行，這一點從溫度分布也可以得到；在z=20 m附近范圍，三次風入口2位于此位置，爐體內O2含量上升，達到最大值，而揮發分由于三次風的“稀釋”及不斷被反應，含量進一步降低；在z=20 m至出口區域，此區域被稱為“再燃區”，為完全反應的可燃成分在此區域內繼續反應，最終由出口離開分解爐。

圖2 z截面N2、CO2、O2、Vol平均摩爾分數及溫度

圖3為分解爐z截面CaCO3及CaO平均摩爾分數分布及溫度沿z向分布曲線。在z=3 m、7 m、21 m附近區域內，分解爐內CaCO3含量出現三個極值，這是由于從撒料箱投入大量生料顆粒，在高溫氣流的作用下，生料顆粒在懸浮態快速分解，導致z截面CaCO3含量出現迅速升降的趨勢；在z=9 m～20 m、24 m至出口的爐體中、上部區域，爐體中的CaCO3含量緩慢下降。分解爐中大部分爐體CaO含量較為穩定，且整體呈上升趨勢，CaCO3含量除生料投喂位置外，總體呈下降趨勢，CaO為生料分解反應的產物，所以其含量變化是滯后于CaCO3的含量變化的。觀察整個爐體空間的CaCO3及CaO的含量分布曲線，可以得到生料分解是發生于整個爐體空間的。

圖3 z截面CaCO3及CaO平均摩爾分數分布及溫度

3.2 與工況數據的對比

圖4為該型分解爐工況運行時中控截圖。分解爐上部爐體平均溫度約為900℃～920℃，根據中控的截圖顯示，分解爐上部爐體溫度為895℃，相對誤差為0.5%～2.8%。

圖4 DDF分解爐工況運行圖

生料出口分解率可以用如下公式進行計算：

(2)

其中α為生料出口平均分解率，MfCaO為出口CaO摩爾分數，MfCaCO3為出口CaCO3摩爾分數。根據上式及組分場數據可以計算得到本次數值模擬生料分解率為95.27%，該型分解爐工況運行時的生料出口分解率通常為90%～95%之間，出口分解率計算的相對誤差為0.28%～5.53%。

4 結論

1)通過對DDF型分解爐模型及工況過程的分析，選取了合適的計算模型，為采用數值模擬方法研究分解爐爐體內耦合流場提供了指導；

2)得到了該DDF分解爐煤粉燃燒與生料分解耦合過程的溫度場、組分場，通過對數值模擬的方法分析了分解爐內原、燃料的物理化學變化過程；

3)數值模擬得到爐體出口平均溫度為885℃，出口生料分解率為95.27%，對比該型分解爐的工況數據，相對誤差分別為0.5%～2.8%及0.28%～5.53%，論證了本文所采用數值計算方法可靠性。

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Numerical simulations on the coupling process of the combustion of coal powder and the decomposition of raw material in DDF precalciner

CHEN Zuobing，TANG Shuai，XIANG Qin

Taking the DDF precalciner of a 4 500 t/d cement clinker production line of a company as as research object, using the FLUENT software, the gas phase is expressed withk-εtwo-equation model. Numerical simulations on the coupling process of the combustion of coal powder and the decomposition of the raw material in precalciner were performed using component transport model. The data that calculated temperature field and concentration field of each component was consistent with the data under working condition. The results of comparing the correlation data with operating conditions show that the correctness of numerical simulation.

DDF precalciner, coupled process，component field，numerical simulation

TB126

A

1002-6886(2016)06-0045-04

陳作炳(1962-)，男，湖北孝感人，武漢理工大學機電學院博士，教授、博士生導師，主要從事建材裝備及控制技術、機電一體化、節能環保技術等方面研究。 湯帥(1991-)，男，江蘇淮安人，武漢理工大學機電學院碩士，碩士研究生，研究方向：建材裝備及其虛擬現實技術。

2016-05-12