摘 要

随着工业革命的完成，大多数国家开始走上工业化进程。水泥作为工程建设的基础材料之一，在给人类做出巨大贡献的同时，也带来了一系列诸如环境污染大，资源、能源消耗量大等问题。水泥生产所需热量主要来自煤炭的燃烧，煤炭燃烧会对空气造成一系列的污染。我国煤炭分布不均，导致局部优质煤匮乏，因此必须寻求劣质煤或其他可替代燃料。本文通过对褐煤、烟煤的工业分析，探究褐煤在水泥行业中的使用前景。传统对分解炉研究需要大量人力物力财力，随着计算机技术的发展，CFD技术运用而生，CFD选取了合适的数学模型，结合实际热工标定数据，可真实、全面地反应出分解炉内部的复杂情况。文章通过对分解炉的数值模拟，研究了分解炉内的气固两相流规律及NOx的生成情况，并对实际热工标定过程中检测的NOx浓度与SNCR技术中氨水的流量大小的关系进行分析，对氨水喷入量的合理取值范围进行定量研究。

关键词：分解炉，SNCR，数值模拟，褐煤，NOx

Control of Nitrogen Oxides in Decomposing Furnace in Cement Precalciner Kiln System

ABSTRACT

With the completion of the industrial revolution, most countries began to embark on the process of industrialization. As one of the basic materials for engineering construction, cement has made a great contribution to human beings, but it has also brought a series of problems such as large environmental pollution, large consumption of resources and energy. The heat required for cement production mainly comes from the burning of coal. Coal combustion causes a series of pollution to the air. The uneven distribution of coal in our country has led to the shortage of local high quality coal, so we must seek inferior coal or other alternative fuels. This article explores the prospects for the use of lignite in the cement industry through the industrial analysis of lignite and bituminous coal. The traditional research on calciner requires a lot of manpower, material and financial resources. With the development of computer technology, CFD technology is applied. CFD selects a suitable mathematical model and combines actual thermal calibration data to truly and comprehensively reflect the interior of the calciner. Complex situation. In this paper, the numerical simulation of the calciner is used to study the gas-solid two-phase flow law and NOx generation in the calciner, and the relationship between the NOx concentration detected in the actual thermal calibration process and the ammonia flow rate in the SNCR technology is performed. Analyze and quantitatively study the reasonable range of ammonia injection volume.

Key Words: Precalciner; SNCR; Numerical Simulation; lignite; NOx

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 窑外分解技术及分解炉概述 1

1.2.1 窑外分解技术 1

1.2.2 分解炉概述 2

1.3 水泥工业NOx的产生与控制 4

1.3.1 水泥窑氮氧化物生成机理 4

1.3.2 NOx的危害 5

1.3.3 水泥工业NOx的控制 5

1.4 分解炉研究方法 8

1.4.1 传统研究方法 8

1.4.2 CFD技术 8

1.4.3 分解炉中氮氧化物数值模拟研究进展 8

1.5 论文研究的内容与意义 9

第二章 煤粉燃烧特性研究 10

2.1 国内用煤概况 10

2.2 煤粉工业分析及元素分析 10

2.3 煤粉粒径分布 14

第三章 分解炉的几何建模及网格划分 15

3.1 软件介绍 15

3.2 分解炉几何建模及网格划分 15

3.3 检查网格质量 16

第四章 分解炉数值模拟 18

4.1 分解炉的数学模型 18

4.1.1 基本假设 18

4.1.2 湍流模型 18

4.1.3 离散相模型 19

4.1.4 组分输运模型 20

4.1.5 NOx生成模型 20

4.2 边界条件 21

4.2.1进口边界条件 21

4.2.2 出口边界条件设定 22

4.2.3 颗粒相 22

4.2.4 烟气成分 23

4.2.5 壁面 23

4.3 结果分析 23

4.3.1 速度场 23

4.3.2 温度场 23

4.3.3 NO浓度分析 24

第五章 实际生产中测得数据分析 26

第六章 结论与展望 32

6.1 结论 32

6.2 展望 32

参考文献 33

致谢 35

绪论

引言

随着工业革命的完成，大多数国家开始走上工业化进程。水泥作为重要的基础原材料之一，给人类社会做出巨大贡献的同时，也带来了一系列诸如环境问题^[1]。水泥生产所需能量主要来自煤炭的燃烧，煤炭燃烧势必有大量的环境污染物排放，对空气环境造成严重的污染^[2]。在未来很长一段时间内水泥仍将是应用最为广泛的基础原材料。因此水泥工业发展的节能减排仍是一项待解决的重要问题。

《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)^[3]规定水泥窑系统氮氧化物排放限值400mg/m³，二氧化硫排放限值为200mg/m³。重点地区氮氧化物及二氧化硫排放限值分别为320mg/m³和100mg/m³。

1985年以来，我国水泥年产量稳居世界首位。2014年全球水泥产量为4100000千吨，中国产量为2350000千吨，占全球水泥产量的57.3%^[4]。新型干法水泥生产技术的快速发展对我国水泥行业的推动起到领导作用^[5~6]。

窑外分解技术及分解炉概述

1.2.1 窑外分解技术

传统的水泥工艺中，水泥熟料烧成过程中“CaCO₃的分解反应”基本上都是在回转窑内进行的，而这一过程又恰好是烧成过程中具有最大耗热量的过程，物料在回转窑内呈堆积态，气流与物料接触面积受限，导致传热速率低，传质过程较慢，20世纪30年代出现的半干法立波尔窑及50年后出现的SP窑很好的解决了生料预热问题，使入窑生料的表观分解率大大提高，但是仍未从根本上解决CaCO₃的分解过程过慢的问题。而想用增大回转窑规格的方法来提高产量会造成回转窑的窑龄大大缩短的问题。而试图用出窑废气来加热入窑生料的话又会面对热量不足的问题。

基于此，人们设立了分解炉在预热器与回转窑中间，来弥补窑尾废气含热量不足的问题。即在分解炉内喷入一定量的燃料，使分解炉内CaCO₃的分解反应高效迅速的进行，入窑的表观分解率可提高到85%~95%。从根本上解决传统回转窑产量受制于生料预烧水平的问题，使单机产量得到大幅度提高。即“窑外预分解窑”，又称预分解窑、NSP窑、PC窑^[7]。

相关图片展示：