回轉窯廢氣-煤粉氣固兩相燃料混合燃燒特性研究

摘" " " 要： 為了描述回轉窯-礦熱爐工藝中回轉窯內部煤粉-爐氣間氣固兩相傳熱傳質機理和燃料混合燃燒特性，建立了三維氣固兩相燃料混合燃燒計算模型，揭示了氣固兩相的傳熱傳質機理，探究" " 氣-固燃料的混合燃燒對粉煤燃燒速率、火焰特性和煙氣成分等的影響。結果表明：采用氣固燃料的混合燃燒有助于增強燃料的湍動性，促進煤粉揮發和燃燒，提高窯內高溫區范圍，提高燃料利用率，焙燒區范圍由11.4 m 增加到22.9 m。

關" 鍵" 詞：回轉窯；余熱余能回收；氣-固兩相；混合燃燒

中圖分類號：TF801.2" " " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）02-0169-04

回轉窯作為RKEF工藝的重要環節，其礦料在焙燒過程中脫水-預還原的程度將影響合金中鎳鐵的品位。該工序的關鍵就是對溫度的控制，而溫度是否合理直接影響礦料在回轉窯內干燥、熱解、預還原等工序效果。隨著數值模擬技術的發展，研究者開始采用實驗與模擬相結合的方法對煤粉燃料燃燒特性進行研究。

SAGASTUME[1]等提出利用廢棄物作為輔助燃料方案，開展燃料混合燃燒的研究。隨后，研究者對工業廢料作為可替代燃料進行研究。TAN[2]等采用不同的燃燒模型研究煤與油泥混合燃燒對燃燒、NOx排放等的影響。BACKSTROM[3]等研究了煤與生物質等多種燃料的混合燃燒，并評估了燃料對火焰溫度和輻射傳熱的影響。近年來，研究發現氣-固燃料混合燃燒會對煤粉的擴散速率、燃燒率、揮發分的揮發率等方面有益。GU[4]等通過煤和天然氣混合燃燒的數值模擬，發現天然氣的快速燃燒可以促進煤的燃燒，并利用天然氣擴大高溫區和焙燒區的范圍。為了研究氣-固燃料混合燃燒對火焰的影響，謝俊林[5-7]等深入研究了煤與天然氣混合燃燒對火焰特性和溫度的影響。邢文朝[8]等研究了不同煤種在煤粉工業鍋爐上的適應性。

本文基于氣-固燃料的燃燒特性，建立煤粉和爐氣（CO）混合燃燒數學模型，對煤粉顆粒運動軌跡、燃料燃燒速率、火焰特性、燃燒產物成分、燃燒區域的湍流運動和窯內溫度進行數值分析。

1" 模型的建立

1.1" 物理模型

在回轉窯工藝中，紅土鎳礦與石灰石和無煙煤混合后進入回轉窯中，依次經歷干燥脫水、金屬氧化物預還原和石灰石熱解等焙燒工序，如圖1所示。本文研究的預還原回轉窯的長度為110 m、寬為" 4.8 m，但為了確保網格質量特將回轉窯的長度簡化為60 m。煤粉、爐氣和助燃空氣由窯頭進入回轉窯，且煤粉顆粒在旋流風的拖曳作用和重力影響下，其運動軌跡發生改變并迅速與空氣和爐氣混合。

1.2" 數學模型建立

氣相在煙道內的流動屬于湍流流動，而標準k-在模型可用于精確計算湍流的流場，且在計算管道內不同截面處流體流速時誤差較小，因此選用標準k-可模型結合標準壁面函數描述爐氣流動狀態[9-10]。

由于氣相具有湍動性，會導致煤粉顆粒具有離散性，故采用隨機軌道模型預測煤粉顆粒的擴散軌跡[11]，其方程為：

1.3" 幾何模型的建立及網格化

先采用Gambit軟件建立回轉窯幾何模型，將燒嘴設置為空氣、煤粉和爐氣入口簡化處理，以便生成結構化網格提高計算準確性，回轉窯模型的總網格數為2 607 990個，見圖2。

1.4" 邊界條件

本研究中回轉窯燃燒模型采用隱式有限體積法離散化守恒方程，并利用SIMPLE 算法推導壓" " 力-速度耦合。利用二階迎風格式求解離散化過程，并利用格林-高斯基于單元梯度評估法來計算梯度和衍生物，回轉窯壁面按第三類邊界條件設置，如表1所示。

2" 計算結果

由于噴嘴尺寸很小，當助燃空氣、煤粉和爐氣高速射出噴嘴后，會存在速度衰減現象，如圖3所示。回轉窯燒嘴附近存在內循環區域和外循環區域。這可能是由以下幾個原因所引起：一是由于噴嘴內部的旋流通道，使得氣流流出噴嘴后以一定角度流入窯內（見圖3（b）），加劇氣相湍動，使得氣體流動更加紊亂而產生回流現象；二是高速射入的氣流會對噴嘴附近的氣體造成卷吸，并將其帶走導致噴嘴附近壓力降低，從而形成壓差產生回流現象。這種內外循環現象有利于高溫氣流對煤粉和助燃空氣的預熱，并使得煤粉顆粒、爐氣等燃料與高溫氣體充分混合。

圖4為沿回轉窯軸向截面的溫度云圖。結果表明隨著燃料中爐氣比例的增加，火焰的長度和寬度都有所增大。當煤粉單獨作為燃料時，會明顯縮小火焰長度和高溫區范圍。另外，發現摻混一氧化碳燃燒可加快煤粉燃燒速度，使燃料的燃燒位置提前。這主要是因為：①由于煤粉顆粒會受到重力作用具有下沉趨勢，阻礙了燃料的擴散不利于火焰傳播；②在湍動能的影響下，氣體燃料比煤粉顆粒更容易擴散，加快火焰傳播速度，從而增加火焰長度和寬度；③由于氣體燃料具有燃燒溫度低和快速燃燒等優點，可促進煤粉中揮發分的釋放及燃燒。因此，回收礦熱爐爐氣中一氧化碳作為燃料，可實現煤粉的快速燃燒，增加火焰長度和范圍，增強熱量傳遞。

圖5為回轉窯中Y=1 m處軸向截面的溫度云圖。實際生產中礦料的填充率一般為10%，料層高度約為1.4 m，所以Y=1 m截面上的溫度分布可反映出礦料的焙燒情況。由圖5可以看出，隨著爐氣摻混量的增加，Y=1 m的截面上溫度會逐漸升高，高溫區也相應擴大，從而增大焙燒區范圍。而單獨以煤粉作為燃料時，溫度相對最低，焙燒區范圍也相對最小。同時，隨著爐氣摻混量的增加，焙燒區長度由11.4 m增加到22.9 m，如圖5所示。

3" 結 論

通過對回轉窯流程中諸多復雜物理、化學現象的描述，建立回轉窯氣-固燃料混合燃燒數學模型，對比分析了回轉窯中煤粉和爐氣混合燃燒對于火焰特性和燃燒產物的影響。具體研究情況如下：

1）發現煤粉和爐氣混合燃燒有助于增加煤粉 顆粒的湍動性，加速煤粉的擴散，延長火焰長度，提高窯內高溫區范圍。隨著爐氣摻混比的增加，焙燒區長度由11.4 m增加到22.9 m。

2）由于一氧化碳快速燃燒特性，加速揮發分的釋放，促進揮發分及焦炭燃燒，從而改善煤粉的燃燒過程。

3）有助于煤粉充分燃燒，提高燃料使用率。

參考文獻：

［1］SAGASTUME A， COGOLLOS J B， VANDECASTEELE C. Energy and exergy assessments of a lime shaft kiln[J]. Applied Thermal Engineering， 2013， 51（1-2）： 273-280．

［2］TAN P， MA L， FANG Q Y， et al. Application of different combustion models for simulating the co-combustion of sludge with coal in a 100 MW tangentially coal-fired utility boiler[J]. Energy amp; Fuels， 2016， 30（3）： 1685-1692.

［3］BACKSTROM D， JOHANSSON R， ANDERSSON K， et al. On the use of alternative fuels in rotary kiln burners-an experimental and modeling study of the effect on the radiative heat transfer conditions[J]. Fuel Processing Technology， 2015， 138： 210-220.

［4］GU H Y， HE P， MEI S X， et al. Simulation on different proportions of coal and natural gas co-combustion in a rotary lime kiln[J]. International Journal of Intelligent Systems and Applications， 2011， 3（4）： 17-24.

［5］HE P， GU H Y. Numerical simulation of coal and natural gas co-combustion in a rotary lime kiln[C]. International Conference on Information Engineering amp; Computer Science， 2009.

［6］GU H Y， HE P， MEI S X， et al. Numerical simulation of coal and natural gas co-combustion with different fuel proportions in a rotary lime kiln[C]. International Conference on Information Engineering amp; Computer Science， 2009.

［7］XIE J L， LI Y M， MEI S X. Numerical simulation of coal and natural gas co-combustion in a rotary lime kiln with different types of coal[C]. International Conference on Information Engineering amp; Computer Science， 2009.

［8］邢文朝，崔名雙，鄭祥玉，等.不同煤種在煤粉工業鍋爐上的適應性研究[J].遼寧化工，2020，49（7）：777-779.

［9］HOU L Y， FU W B， ZHANG Y J. A theoretical analysis on combustion intensification for blended coal in rotary cement kiln[J]. Fuel， 2001， 80（11）： 1645-1650.

［10］MANJU M S， SAVITHRI S. Three dimensional CFD simulation of pneumatic coal injection in a direct reduction rotary kiln[J]. Fuel， 2012， 102（41）： 54-64.

［11］ANSYS CFX 14.5 Useral CFD si [M].ANSYS Inc， 2012.

［12］BADZIOCH S， HAWKSLEY P G W. Kinetics of thermal decompose- tion of pulverized coal particles[J]. Industrial amp; Engineering Chemistry Process Design and Development， 1970， 9（4）： 521-530.

［13］KANGWANPONGPAN T， SILVA R C D， KRAUTZ H J. Prediction of oxy-coal combustion through an optimized weighted sum of gray gases model[J]. Fuel amp; Energy Abstracts， 2012， 41（1）： 244-251.

［14］KARAMPINIS E， NIKOLOPOULOS N， NIKOLOPOULOS A， et al. Numerical investigation Greek lignite/cardoon co-firing in a tangentially fired furnace[J]. Applied Energy， 2012， 97（9）： 514-524.

［15］LI Z Q， WEI F， JIN Y. Numerical simulation of pulverized coal combustion and NO formation[J]. Chemical Engineering Science， 2003， 58（23-24）： 5161-5171.

［16］HOWAD J B， WILLIAMS G C， FINE D H. Kinetics of carbon monoxide oxidation in postflame gases[J]. Symposium on Combustion， 1973 14（1）： 975-986.

Research on the Characteristics of Co-combustion ofPulverized Coal With Furnace Gas in Rotary Kiln

SONG Yu-shi， LIU Peng， ZHAN Hong-ren， ZHANG Xian-zhen

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 113142， China）

Abstract：" In order to describe the gas-solid two-phase heat and mass transfer mechanism and characteristics of co-combusting between pulverized coal and furnace gas in rotary kiln submerged arc process， a three-dimensional gas-solid two-phase co-combustion calculation model was established， the heat and mass transfer mechanism of gas-solid two-phase was revealed， and the effects of co-combustion on pulverized coal combustion rate， flame characteristics and flue gas composition were explored. It was found that the co-combustion of gas-solid fuel was helpful to enhance the turbulence of fuel， and promote the volatilization and combustion of pulverized coal. The range of high temperature zone was increased. The range of roasting zone was increased from 11.4 m to 22.9 m.

Key words： Rotary kiln; Waste heat and energy recovery; Gas-solid two-phase; Co-combusting