楊郁 李侍津 羅曉 邊永歡 劉仁平

摘要：為了深入研究分解爐內的煅燒過程，提高煅燒效果，運用Fluent軟件對國內某水泥公司4 500 t/d TTF分解爐進行了數值建模。在選取Standard k-ε模型、離散相模型和組分傳輸模型模擬出流場和溫度場的基礎上，分析了煤粉燃燒過程及生料角度、三次風速度和溫度對爐內煅燒過程的影響。結果表明：生料入射角度對分解率有較大的影響;三次風速度較大時，生料分解率和焦炭燃燼率也較高;三次風溫度升高，會引起助燃空氣不足，降低焦炭反應活性，從而降低燃燼率;通過優(yōu)化3個參數，CaCO3分解率達到90.3%，焦炭燃燼率達到88.0%。開展水泥分解爐煅燒過程數值模擬研究并將之應用于實際工程項目中，可為優(yōu)化水泥生產工況提供理論參考，對水泥工業(yè)與資源環(huán)境的協調發(fā)展具有較大的現實意義。

關鍵詞：工業(yè)鍋爐;TTF分解爐;煤粉燃燒;生料分解;優(yōu)化;數值模擬

中圖分類號：TK175文獻標志碼：A

Abstract：To study the calcination process in a precalciner and improve calcination effect， the 4 500 t/d TTF precalciner in a domestic cement company is numerically modeled by Fluent. By selecting the standard k-ε model， discrete phase model and component transfer model， the flow field and temperature field are simulated， based on which， the pulverized coal combustion process and the effects of cement raw meal angle， tertiary air velocity and tertiary air temperature on calcination process are analyzed. The results show that the incidence angle of raw meal has great influence on the decomposition rate. When the tertiary air velocity is higher， the decomposition rate of raw meal and the burning rate of coke are also higher. Increase in tertiary air temperature causes insufficient combustion air and reduces coke reactivity， thereby reduces combustion rate. By optimizing the three parameters， the decomposition rate of CaCO3 and the burning rate of coke can reach 90.3% and 88.0%， respectively. The research on the numerical simulation of cement precalciner calcination process and its application in practical engineering projects can provide theoretical reference for optimizing cement production conditions， and has great practical significance for the cement industry and its coordinated development with resources and environment.

Keywords：industrial boiler; TTF precalciner; pulverized coal combustion; raw meal decomposition; optimization; numerical simulation

近年來中國水泥產量居高不下，在獲取產品的同時，消耗了大量的煤炭資源[1]。為此，國家對水泥行業(yè)的能耗總量和單位產品能耗提出了明確要求[2]。分解爐是目前水泥生產的核心設備之一，其內部主要發(fā)生煤粉燃燒和生料分解以及熱交換等過程，這些過程相互作用，影響水泥產品的質量和能源消耗量[3-4]，針對分解爐內燃燒和分解過程及其影響因素進行研究顯得尤為重要。

分析、冷模實驗和工廠試驗相比，運用Fluent軟件進行分解爐數值模擬實驗，更能高效展現爐內物理和化學過程，是目前研究分解爐的主要方式之一[5]。通過對分解爐內煤粉燃燒過程進行模擬，可得到爐內溫度場和組分濃度場的細節(jié)信息[6-8]。例如：通過研究，耿宗俊等[9]得到了爐內最高溫度為1 800 K;有不少研究者針對DD和DDF兩種爐型分解爐內煤粉燃燒和生料分解耦合作用進行模擬，在得到爐內溫度場、組分濃度場基礎上，又分析了燃料、生料的物理化學過程[10-11];梅書霞等[12-14]針對分解爐內煤粉燃燒和碳酸鈣分解進行了大量研究，其中包括煤粉、垃圾衍生燃料兩種燃料共燃與碳酸鈣分解耦合作用機制。目前，該領域的研究工作主要集中在DD和DDF兩種爐型上，針對TTF分解爐的研究較少。此外，關于分解爐優(yōu)化研究，主要以三次風、生料和煤粉結構參數對污染物生成規(guī)律的影響為主，對煤粉燃燒和生料分解研究較少[15-16]。

筆者針對某水泥廠4 500 t/d TTF三噴騰分解爐進行了數值模擬。在驗證流場、溫度場與實際工況相符的基礎上，研究了煤粉燃燒過程及生料角度、三次風速度和溫度對煅燒過程的影響，并對優(yōu)化工況進行了詳細分析，以期為深入研究分解爐及指導水泥生產提供理論參考。

1模型與數值解法

1.1幾何模型與數學模型

根據實際工藝設備尺寸進行建模，圖1為分解爐結構和網格示意圖?；剞D窯窯尾煙氣從分解爐底部A垂直進入，B為分解爐出口。三次風水平進入爐內，其進口連在錐體上方C處。D和E分別為2個煤粉進口和1個生料進口，煤粉管與水平方向呈25°角，所有的進口對稱分布在分解爐兩側。為方便網格劃分，提高模擬精確度，對爐體結構進行部分簡化，將煤粉進口和生料進口簡化為一個矩形進口。整體采用六面體網格進行劃分。

采用Standard k-ε模型模擬氣相湍流，采用離散相模型（discrete phase model）及隨機軌道模型進行顆粒相的運動軌跡計算，采用組分傳輸模型模擬煤粉燃燒和生料分解耦合過程，采用P1輻射模型進行傳熱計算，采用雙步競爭速率模型對析出的揮發(fā)分進行計算，焦炭燃燒采用固有（內在）模型。

1.2邊界條件

1.3數值解法

本研究采用的數值解法是有限體積法，空間離散上設置壓力為標準模式，動量為二階迎風差分格式，湍流方程中湍流動能及能量耗散取一階迎風差分格式進行求解。對離散方程組的壓力-速度耦合選用SIMPLE算法求解，方程的空間離散化采用一階迎風格式。采用無滑移壁面，對近壁區(qū)域采用標準壁面函數進行處理。收斂標準為能量項和P1項殘差小于10-6，其余各殘差小于10-3[17-18]。

2結果

2.1流場分析

圖2為速度云圖和局部速度矢量圖。圖2 a）顯示爐內共產生三次噴騰效應，速度場沿分解爐中心線呈良好的對稱分布。模擬結果圖2 b）和圖2 c）顯示，由于上升的窯尾煙氣受三次風阻擋，因此在三次風下方形成部分回流區(qū);在三次風上方，受上升窯尾煙氣的影響，形成另外2個較大的回流區(qū)?；亓髯饔檬股显诜纸鉅t內的分散更加均勻，并且增加了煤粉在分解爐內的燃燒時間，促進煤粉充分燃燒和碳酸鈣的徹底分解。模擬展示的氣相流場的分布特點與實際工況的測定分析結果較為一致，表明了模擬結果的準確性。

2.2溫度場分析

煤粉通過噴煤管采用噴射方式進入分解爐內，與高溫三次風及高溫窯尾煙氣相混合。通過換熱，煤粉的溫度被升高，當被加熱到一定溫度后發(fā)生燃燒反應，并釋放出大量熱量，這些熱量為碳酸鈣的分解提供溫度條件。

有不少研究者對煤粉的燃燒特性進行了分析。該燃燒過程可分為2部分，即揮發(fā)分的析出和燃燒與焦炭的燃燒[19-21]。圖4為揮發(fā)分在分解爐z方向上的摩爾分數云圖與曲線圖。由曲線圖可見，在7～15 m高度處，揮發(fā)分濃度發(fā)生明顯變化;結合揮發(fā)分摩爾分數云圖可知，在10.5 m高度處，2個對稱的煤粉燃燒器斜向下噴射煤粉，在此過程中揮發(fā)分大量析出并迅速燃燒至完全。

圖5為其中一個煤粉入口的顆粒軌跡圖。煤粉采用面入射方式，由入口均勻噴射進爐內。受運動氣流的影響，焦炭顆粒在分解爐錐部以上區(qū)域的軌跡變得曲折，增加了焦炭顆粒在爐內的停留時間。與揮發(fā)分分布不同，自錐部向上直至分解爐出口，均產生焦炭顆粒燃燒反應，維持了分解爐的整體溫度，并保障了碳酸鈣的分解。結果顯示，焦炭燃燼率為85.4%，與實際工況相符合。

3影響因素

分解爐內同時發(fā)生復雜的流體運動、燃燒、分解和傳熱等物理化學過程，合理的工況條件對提高分解率和燃燼率有重要影響[22]。分解爐外形、下料點位置、數量和角度、三次風速度和溫度、噴煤口數量等都是影響煅燒過程的因素。在原分解爐結構不變的情況下，選取生料入射角度、三次風速度及三次風溫度共3個因素進行研究。

3.1生料角度

生料的加入會對爐內氣固兩相流場產生一定的影響，而流場特性會影響爐內物料的分散狀況，在生料分解和煤粉燃燒方面起著重要作用[23]。根據分解爐原始工況，選取與水平面夾角10°～60°范圍內，每隔5°設置一個生料入射角度，研究生料入射角度對分解爐煅燒的影響。

圖6為生料入射角度與分解爐出口生料分解率及焦炭燃燼率的關系曲線，圖7為生料入射角度與爐內壓力損失（三次風進口至分解爐出口）的關系曲線。結合圖6和圖7可知，隨著入射角度增加，焦炭燃燼率穩(wěn)定在81%以上，說明生料入射角度不是影響焦炭燃燒的主要因素;在10°～40°之間，壓力損失較小，并且分解率比較穩(wěn)定，說明生料入射角度對爐內流場的影響不大;在40°～60°之間，壓力損失迅速增加，分解率明顯下降，表明生料的加入對流場產生一定的擾動作用，阻礙了生料和煤粉的有效混合。根據模擬實驗結果，得出在較低壓力損失下，生料分解率在入射角度分別為25°，30°，35°時，分別比60°時高12.2%，12.5%和12.7%。

3.2三次風速度

3.3三次風溫度

溫度對分解爐中生料的分解起著至關重要的作用。在生料入射角度為35°、三次風速度為28 m/s基礎上，根據工廠實際經驗，選取三次風溫度分別為1 123，1 173，1 223，1 273和1 323 K共5個條件，研究三次風溫度對分解爐煅燒的影響。

圖10為三次風溫度與分解率及焦炭燃燼率的關系曲線。由圖10可知，隨著三次風溫度的增加，焦炭燃燼率呈現下降趨勢。這是由于提高三次風溫度且保證風速不變，則降低了入爐三次風的質量流量，引起助燃空氣不足，從而使焦炭燃燼率降低;同時由于風溫升高，使得煤粉燃燒時焦炭顆粒的溫度升高。有研究表明，當熱處理溫度為1 373～1 673 K時，焦炭中部分物質的結構發(fā)生變化，從而增加了焦炭反應的活化能，降低其反應活性，最終增加了出口焦炭的未燃燼率[24]。隨著溫度升高，生料分解率增加，表明升高溫度對生料分解有明顯的促進作用。

圖11為三次風溫度與爐內壓力損失（三次風進口至分解爐出口）的關系曲線。隨著三次風溫度的增加，壓力損失先增加后下降，在三次風溫度為1 275 K時，壓力損失最大。結合圖10和圖11可知，三次風溫度為1 123～1 173 K時，壓力損失較低，并且存在較高的分解率和燃燼率。

4優(yōu)化工況分析

結合圖12 a）和圖12 b）分析，CaCO3由分解爐壁面處加入，其運動方向受到三次風、上升窯尾煙氣和重力的共同影響。在分解爐下部，柱體CaCO3的濃度梯度較大，在生料入口處CaO含量增加明顯，這是由于高溫引起CaCO3迅速分解。隨著分解爐高度的增加，未分解完全的CaCO3逐步分解，使得CaO濃度逐漸增加直至分解爐出口。如圖12 c）所示，爐內CO2與CaO含量變化趨勢相同?；剞D窯窯尾煙氣含有部分CO2，其摩爾分數約為0.04，三次風的CO2含量最少，從三次風上方直至分解爐出口CO2含量出現明顯的遞增趨勢，這是由于煤粉燃燒和CaCO3分解的共同作用。觀察圖12 d）得知，三次風提供了煤粉燃燒必要的氧氣條件，煤粉由三次風上方加入，在足夠高的溫度環(huán)境下，遇到三次風中的大量O2得以迅速燃燒，O2被大量消耗，在三次風周圍O2含量迅速降低。

根據模擬結果可知，經過優(yōu)化后，分解爐的結構設計和參數設置較為合理，CaCO3分解率可達到903%，比初始工況分解率提高了近8%;焦炭燃燼率達到88.0%，比初始工況燃燼率提高近3%。

5結論

通過對某水泥廠實際生產工藝中4 500 t/d TTF三噴騰型分解爐進行數值模擬，分析了爐內速度場、溫度場及煤粉燃燒過程，并依次改變生料角度、三次風速度和三次風溫度3個因素進行研究，結論如下。

1）流場內產生三次噴騰效應，且三次風上方產生2個較大回流區(qū)，分解爐出口平均溫度為1 250 K，模擬結果與實際工況吻合較好。

2）改變生料入射角度對焦炭燃燼率影響不大，入射角度為25°，30°和35°時，分解爐出口分解率分別比60°時高12.2%，12.5%和12.7%;三次風速度由20 m/s增加至32 m/s時，生料分解率和焦炭燃燼率都增加;三次風溫度為1 123～1 323 K，生料分解率都在適宜范圍內，隨著溫度的增加，焦炭燃燼率出現下降趨勢，這是由助燃空氣不足和焦炭反應活性降低導致的。

3）通過優(yōu)化生料角度、三次風速度和三次風溫度3個參數，可使CaCO3分解率達到90.3%，比初始工況提高近8%;焦炭燃燼率達到88.0%，比初始工況提高近3%。在接下來的研究中，應在保證CaCO3分解率的同時，進一步提高焦炭的燃燼率。

參考文獻/References：

[1]MADLOOL N A，SAIDUR R，HOSSAIN M S，et al.A critical review on energy use and savings in the cement industries[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2011，15（4）： 2042-2060.

[2]吳孟輝.基于能源計量的水泥能耗監(jiān)測系統研究與應用[J].計量與測試技術，2018，45（3）： 55-57.WU Menghui.Research and application of energy measurement based monitoring system for cement energy consumption[J].Metrology & Measurement Technique，2018，45（3）： 55-57.

[3]FIDAROS D K，BAXEVANOU C A，DRITSELIS C D，et al.Numerical modelling of flow and transport processes in a calciner for cement production[J].Powder Technology，2007，171（2）： 81-95.

[4]LIU Huanpeng，LIU Wentie，ZHENG Jianxiang，et al.Numerical study of gas-solid flow in a precalciner using kinetic theory of granular flow[J].Chemical Engineering Journal，2004，102（2）： 151-160.

[5]梅書霞，謝峻林，何峰，等.DD分解爐改變生料進口位置的數值模擬[J].武漢理工大學學報，2012，34（9）： 26-30.MEI Shuxia，XIE Junlin，HE Feng，et al.Numerical simulations in double-sprayed precalciner by changing the location of raw meal inlets[J].Journal of Wuhan University of Technology，2012，34（9）： 26-30.

[6]蔡鑫，馬永亮.水泥預分解爐內流場及溫度場的數值模擬[J].環(huán)境工程學報，2014，8（10）：4349-4354.CAI Xin，MA Yongliang.Numerical simulation of flow and temperature field in a cement precalciner[J].Chinese Journal of Environmental Engineering，2014，8（10）： 4349-4354.

[7]巴清心.水泥生產用分解爐傳熱和流動特性的數值模擬及實驗研究[D].濟南： 山東大學，2015.BA Qingxin.Numercial Simulation and Experimental Research of Precalciner Heat Transfer and Flow Characteristics in Cement Production[D].Jinan：Shandong University，2015.

[8]GIDDINGS D，EASTWICK C N，PICKERING S J，et al.Computational fluid dynamics applied to a cement precalciner[J].Journal of Power and Energy，2000，214（3）： 269-280.

[9]耿宗俊，邢寧寧，趙蔚琳.三噴騰DD分解爐內煤粉燃燒的數值模擬[J].硅酸鹽通報，2013，32（5）： 908-912.GENG Zongjun，XING Ningning，ZHAO Weilin，et al.Numerical simulation of pulverized coal combustion process in three-spout DD calciner[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2013，32（5）： 908-912.

[10]陳作炳，湯帥，項勤.DDF分解爐煤粉燃燒與生料分解耦合過程的數值模擬[J].現代機械，2016（6）： 45-48.CHEN Zuobing，TANG Shuai，XIANG Qin.Numerical simulations on the coupling process of the combustion of coal powder and the decomposition of raw material in DDF precalciner[J].Modern Machinery，2016（6）： 45-48.

[11]MIKULCIC H，VUJANOVIC M，DUIC N.Improving the sustainability of cement production by using numerical simulation of limestone thermal degradation and pulverized coal combustion in a cement calciner[J].Journal of Cleaner Production，2015，88（6）： 262-271.

[12]梅書霞，謝峻林，何峰，等.DD分解爐燃燒與分解耦合過程的數值模擬[J].化工學報，2013，64（3）： 897-905.MEI Shuxia，XIE Junlin，HE Feng，et al.Numerical simulation of coupling mechanism between pulverized coal combustion and calcium carbonate decomposition in double-sprayed precalciner[J].CIESC Journal，2013，64（3）： 897-905.

[13]MEI Shuxia，XIE Junlin，CHEN Xiaolin，et al.Numerical simulation of the complex thermal processes in a vortexing precalciner[J].Applied Thermal Engineering，2017，125： 652-661.

[14]梅書霞，謝峻林，陳曉琳，等.渦旋式分解爐中煤及垃圾衍生燃料共燃燒耦合CaCO3分解的數值模擬[J].化工學報，2017，68（6）： 2519-2525.MEI Shuxia，XIE Junlin，CHEN Xiaolin，et al.Numerical simulation of co-combustion of coal and refuse derived fuel in coupling with decomposition of calcium carbonate in precalciner with swirl type prechamber[J].CIESC Journal，2017，68（6）： 2519-2525.

[15]田苗.分解爐分級燃燒低NOx釋放特性研究[D].鄭州： 華北水利水電大學，2018.TIAN Miao.Rearch on Low NOx Release Characteristics of Staged Combustion in Precalciner[D].Zhengzhou：North China University of Water Resources and Electric Power，2018.

[16]張麗娜.分解爐混煤高效低NOx燃燒的數值模擬與結構優(yōu)化[D].湘潭： 湘潭大學，2014.ZHANG Lina.Numerical Simulation and Structural Optimization of Coal Blends Efficient and Low NOx Combustion in Calciner[D].Xiangtan： Xiangtan University，2014.

[17]ZHDANOVA A O，KUZNETSOV G V，STRIZHAK P A.Numerical analysis of effective conditions of chemical reaction suppression during typical forest fuel material combustion[J].Appl Mech & Mater，2014，3636（1384）： 267-271.

[18]李睿.分解爐內燃燒與NOx生成的數值模擬研究[D].綿陽： 西南科技大學，2017.LI Rui.Numerical Simulation and Research on Combustion and NOx Formation in Precalciner[D].Mianyang：Southwest University of Science and Technology，2017.

[19]左啟偉，蒼大強，趙軍，等.煤粉壓力燃燒特性及動力學分析[J].河北科技大學學報，2016，37（1）：88-95.ZUO Qiwei，CANG Daqiang，ZHAO Jun，et al.Combustion characteristics and kinetic analysis of pulverized coal under different pressure grades[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2016，37（1）：88-95.

[20]鄭善凱，周月桂，曾柱楷，等.高溫低氧氣氛下煤粉顆粒燃燒特性實驗[J].熱力發(fā)電，2018，47（9）：41-47.ZHENG Shankai，ZHOU Yuegui，ZENG Zhukai，et al.Experimental research on combustion characteristics of pulverized coal particles in high temperature and low oxygen content environments[J].Thermal Power Generation，2018，47（9）：41-47.

[21]左啟偉，蒼大強，安霞，等.煤粉預熱燃燒特性及動力學分析[J].河北科技大學學報，2015，36（4）：431-436.ZUO Qiwei，CANG Daqiang，AN Xia，et al.Combustion characteristics and kinetic analysis of preheating pulverized coal[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（4）：431-436.

[22]ZHANG Y，CAO S X，SHAO S，et al.Aspen plus-based simulation of a cement calciner and optimization analysis of air pollutants emission[J].Clean Technologies and Environmental Policy，2011，13（3）： 459-468.

[23]陳作炳，盧海波，彭建新，等.強化懸浮式分解爐內氣固兩相流場的數值模擬[J].硅酸鹽學報，2006，34（1）： 50-54.CHEN Zuobing，LU Haibo，PENG Jianxin，et al.Numerical Simulation of the gas-solid two phase flow in a reinforced suspension precalciner[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2006，34（1）： 50-54.

[24]張守玉，黎永，呂俊復，等.煤焦反應活性影響因素的探討[J].煤炭轉化，2003，26（2）： 25-28.ZHANG Shouyu，LI Yong，LYU Junfu，et al.Discussion on the effect of heating treatment on the intrinsic reactivity of coal-char[J].Coal Conversion， 2003，26（2）： 25-28.