1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1. 序言

在水泥工业中，分解炉是一个十分重要的化工装备。在分解炉中，生料粉分散悬浮在气流中，使燃料燃烧和碳酸钙分解在很短时间(一般1.5~3秒)内分解。分解炉是一种高效率的直接燃烧式固相~气相热交换装置。在分解炉内，由于燃料的燃烧是在激烈的紊流状态下与物料的吸热反应同时进行，燃料的细小颗粒呈一面浮游，一面燃烧，使整个炉内几乎都变成了燃烧区。所以不能形成可见辉焰，而是处于820～900℃低温无焰燃烧的状态。

水泥烧成过程大致可分为两个阶段：石灰质原料约在900℃时进行分解反应(吸热)；在1200～1450℃时进行水泥化台物生成反应(放热、部分熔融)。根据理论计算，当物料由750℃升高到850℃，分解率由原来的25％提高到85～90％时。每千克熟料尚须1670千焦的热量。因此，全燃料的60％左右用于分解炉的燃烧，40％用在窑内燃烧。近年来窑外分解技术发展很快，虽然分解炉的结构型式和工作原理不尽相同，它们各有自己的特点，但是从入窑碳酸钙分解率来看，都不相上下，一般都达到85％以上。由此看来，分解炉的结构型式对于入窑生料碳酸钙分解率的影响是不太大的。关键在于燃料在生料浓度很高的分解炉内能稳定、完全燃烧，炉内温度分布均匀，并使碳酸钙分解在很短时间内完成。

综上，分解炉有如下特点：

1. 消耗大量的燃料（主要为煤）进行燃烧反应，煤中所带有的硫的成分燃后产生含有硫的酸性气体。处理不当会导致环境造成污染。

2. 分解炉内燃烧反应剧烈，难以直接进行测量，因此设计时需要考虑数值模拟的方法进行分析研究。

3. 分解炉中所消耗的煤量巨大，相对应可能所产生的硫的量也十分的多，因此对分解炉进行改进十分必要。

2. 煤脱硫技术的现状

2.1 煤燃烧前脱硫

目前主要的煤燃烧前脱硫技术为洗选法脱硫，即在燃烧前对煤进行净化，除去原煤中的一部分硫分和灰分。中间又分为物理法、化学法和微生物法。物理法：指重力选煤，利用煤中间有机质和硫铁矿的密度差异达到分离的作用，这种方法受煤的粒度和硫的状态影响。主要的方法有跳汰选煤，重介选煤，风力选煤等。化学法：化学法又可分为物理化学法和纯化学法。物理化学法即浮选，而纯化学法包括了碱法脱硫、气体脱硫、热解与氢化脱硫等。微生物法：使用生物工程技术将煤中的有机硫和无机硫脱去。

2.2 燃烧中脱硫

在煤燃烧的过程中间加入石灰石(CaCO₃)、熟石灰(Ca(OH)₂)、白云石粉(MgCO₃)等碱性脱硫剂。在燃烧设备中碱性脱硫剂受到高温，从而分解生成CaO和MgO，这些碱性氧化物同烟气中间的SO₂反应生成固态硫酸盐。从而脱去烟气中间的硫，转换成固态硫酸盐，达到脱硫的目的。

2.3 煤转化过程脱硫

煤转换脱硫即指使用物理、化学方法将煤炭中的硫元素转换成相对应的气体、液体、化工原料或产品。煤中的大部分硫磺、硫化氢、二氧化碳和COS等形式进入煤气或者通过其他手段进行收集，实现煤中硫分的更有效利用，避免这些硫直接进入大气污染环境。

2.4 燃烧后脱硫

燃烧后烟气脱硫(flue gas desulfurization, FGD)是目前唯一能够大规模进行市场化应用的脱硫措施。根据脱硫工艺的不同，分为干法、半干法和湿法三大类工艺。

相比较而言，湿法脱硫具有效率高、技术成熟、Ca/S比低、操作简单、运行可靠等优点。缺点是脱硫产物的处理较为复杂，并且在运行过程中烟气的温度会随着脱硫过程而降低，从而不利于二氧化硫等污染物质的扩散。

而半干法和干法的产物为干粉状，处理较为容易，投入也低于湿法。但是目前该技术发展使用石灰石(石灰)作为脱硫剂的方法Ca/S比高，脱硫效率、脱硫剂的利用率也比湿法脱硫低。

2.5 分解炉中脱硫

现在，在分解炉中进行脱硫处理的研究相对较少。但是如果能够在分解炉中采取一定措施，脱去煤粉里面的硫。就可以省去额外增加脱硫装备的成本，从而以一个较低的支出达到节能减排的目的。课题”复杂工况下分解炉脱硫过程的数值模拟研究”，可以对分解炉中的反应、流场等的分析，建立好相关的数学模型并数值模拟，为解决这样一个问题打一个理论上的支持。在分解炉中，化学反应比较复杂，有煤粉的燃烧反应、碳酸钙的分解反应等。同时分解炉中温度在820～900℃之间，因此在进行模拟分析的时候应该采用固相的方式进行处理。

3.水泥工业大气污染物排放标准

随着经济发展和人们生活水平的逐渐提高，人们越来越重视生活的环境。为了保护环境，我国在2013年12月，发布了《水泥工业大气污染物排放标准》即GB4915-2013来对水泥工业中间的排放物进行限制。

在GB4915-2013中规定，现有企业在2015年6月30日前执行GB4915-2004，在2015年7月1日起按照GB4915-2013总所规定的进行执行，也就是表 1中所引用的数据。

在国标GB4915-2013中还规定对于重点地区的企业有更加严格的排放标准，具体规定的数据见表 2。

表1 现有于新建企业大气污染物排放限值

单位：mg/m³

表2 大气污染物特别排放限值

单位：mg/m³

可见国标中对水泥窑及窑尾余热系统有比较明确的排放要求，因此在设计过程中应该采用第二节中所提到的方法或者其他方法对水泥工业中各个工段中所产生的污染物进行处理。也说明了对分解炉中脱硫这个课题的重要性。

4.现有的对水泥分解炉脱硫过程的研究

现在水泥生产线中所使用的脱硫方法大致有三种：（1）热生料喷注脱硫；（2）湿法脱硫；（3）干脱硫剂喷注法。技术方面对比见表 3。

表3 技术方案比较表

对于中间分解炉中脱硫过程的研究还在初步阶段，相关论文资料不多。但是安徽海螺建材设计研究院在2015年2月和2016年4月，分别申请了有关于脱硫两项专利。即《一种新型干法水泥窑窑尾烟气脱硫系统》（201520090701.9）和《干法水泥窑高活性CaO提取接口的选择方法》（201610264053.3）。

专利《一种新型干法水泥窑窑尾烟气脱硫系统》阐述了一种通过收集分解炉出口中含有的CaO加水制备成20%～30%的Ca(OH)₂浆液在烟气中脱硫的方法。这种方法效率比较高，大部分施工对生产影响不大，对分解炉的改造也不多。个人认为是个不错的方案。

专利《干法水泥窑高活性CaO提取接口的选择方法》则进一步的详细解释了如何使用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）方法对高活性CaO的提取方法。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

研究内容：

1、熟悉热工工程、粉体工程、反应工程、材料工程原理、材料工程基础、无机非金属材料工学、计算机基础、程序设计、算法基础等相关专业知识。

2、到生产现场采集生产数据，掌握分解炉内物料、热量平衡计算，查阅相关文献，了解水泥工业脱硫技术进展，编辑物理关系式，建立数学模型。

3、湿分解炉出口生料颗粒、湿飞灰颗粒、湿cao颗粒脱硫的热重分析实验