论文总字数：20628字

摘 要

氮氧化物(NO_x)是主要的大气污染物之一，也是形成光化学烟雾的主要前驱物。控制和治理氮氧化物的污染一直是国际环保领域的研究热点。随着水泥工业NO_x排放标准的提高，开发水泥窑低NO_x煅烧技术及装备已成为必然趋势。而水泥窑生产过程中产生的氮氧化物主要是分解炉内煤粉燃烧过程中形成的燃料型NO_x和回转窑内氮气与氧气反应生成大量的热力型NO_x。因此分解炉是实施水泥窑低NO_x煅烧技术的关键设备。但是由于分解炉系统结构复杂,而且其内部的反应多在高温悬浮气流中进行的,所以研究起来相当困难。传统的工程研究方法大多采用模型实验的研究方法,而随着计算机技术、计算方法,特别是计算流体力学及其相关算法的不断发展,目前国内外有关分解炉热工状态的CFD数值模拟研究已经获得了长足的进步。

本论文对10000T/d水泥分解炉进行数值模拟，直观地给出分解炉内的气体流动场、温度场、组分浓度分布场以及固体颗粒的运动轨迹，探讨了分解炉内物料分散、热量传递、燃料燃烧、碳酸钙分解的热工过程。

关键词：分解炉 ；计算流体力学（CFD）； NO_x生成 ；数值模拟

Numerical simulation of the NO_x emission in cement precalciner

Abstract

Nitrogen oxide (NO_x) is one of the main atmospheric pollutants and is also the main precursors to photochemical smoke, control and governance NO_x pollution has been the research focus in the field of international environmental protection. 。Now,developing low NO_x technology and low NO_x equipment have become the inexorable trend with strict NO_x emission standards. The emission of NO_x during manufacture of cement were emissioned from the fuel NO_x in cement precalciner and thermal NO_x in rotary kiln.so Precalciner is a key equipment to implement the low NO_x technology.but The main chemical reactions in a precalciner,namely the combustion of pulverized coal and the decomposition of carbonate,occur in a suspending state,and the structure of precalciner make it very difficult to research precalcine. Trdaitional engineering research methods mostly adopt the ways of model experiments,and along wih the developing of computing technology and methods, especially the CFD(Computational Fluid Dynamics) and its arithmetic, the native and ovesreas CFD numerical simulation research of precalciner has obtain great progress presently. Many researchers have made in-depth research with many sorts of precalciner and their reaction mechanism inside.

This paper simulate the pre-calciner of 10000 T/d cement production line, and directly showed the gas flow field, temprature field, species concentrations and solid particle trajectory, and discussed the thermal process of materialdispersion, heat transfer, fuel combustion and calcium carbonate decomposition.

Key Words: preealeiner ; computational fluid dynamics(CFD) ; NO_x formation ; numerical simulation

目 录

摘要

Abstract

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 分解炉

1.3 计算流体力学（CFD）

1.3.1 有限差分法 3

1.3.2 有限元法 3

1.3.3 有限体积法 3

1.4 水泥工业氮氧化物脱硝技术的研究 3

1.4.1 选择性催化还原法（简称SCR） 4

1.4.2 选择性非催化还原法（简称SNCR） 4

1.4.3 选择性非催化还原与选择性催化还原联合法（简称SNCR-SCR） 4

1.4.4 分解炉分级燃烧技术 4

1.5课题研究内容及其研究手段 5

1.5.1 研究内容 5

1.5.2 研究手段

1.6分解炉的数值模拟现状 5

第二章 GAMBIT建模 7

2.1 GAMBIT基本介绍 7

2.2几何建模及网格划分 7

2.2.1 GAMBIT几何建模 7

2.2.2 网格划分 8

2.3 边界定义 9

第三章 分解炉数值模拟 10

3.1 FLUENT介绍 10

3.2 边界条件的设定计算 11

3.2.1 进口边界条件设定 11

3.2.2 出口边界条件设定 12

3.2.3 壁面 12

3.3 气固两相流模拟 12

3.3.1 气固两相 12

3.3.2 煤粉颗粒运动轨迹 13

3.3.3 温度场 14

3.3.4 压力场 14

3.4 煤粉燃烧和生料分解反应耦合作用模拟 15

3.4.1 温度场 15

3.4.2 CO浓度云图 16

3.4.3 生料分解情况 16

3.5 NO_x后处理模拟 17

第四章 分解炉分级燃烧数值模拟 19

4.1分解炉分级燃烧模型建立 19

4.2分解炉空气分级燃烧模拟 19

4.2.1 温度场 19

4.2.2 各物质组分浓度 20

4.2.3 NO生成情况 22

4.3优化分级燃烧分风比例 23

第五章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 展望 25

参考文献： 26

致谢： 28

第一章 文献综述

1.1引言

近年来，我国氮氧化物（NO_x）排放总量不断上升，是形成光化学烟雾、酸雨、灰霾等区域复合型污染的重要前体物，严重影响人类身体健康，破坏生态平衡并危害农林业。因此，对氮氧化物的减排和治理成为当前迫切需要解决的环境问题。2011年3月《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》首次将NO_x排放总量列入约束性指标体系，要求“十二五”期间排放总量下降10％。水泥行业是NO_x排放的第三大源，已被列为“十二五”NO_x减排的重点领域之一，要求实行行业总量控制，到2015年NO_x排放总量下降12%。“ 十二五”期间水泥产量将平稳增长，因此水泥行业NO_x排放总量仍将持续增长，减排压力巨大。

针对水泥企业中氮氧化物排放总量不降反升的情况，国家环境保护“十二五”规划指出，“十二五”期间氮氧化物减排10％，并提出新型干法水泥窑要进行低氮燃烧技术改造，新建水泥生产线要安装效率不低于60％的脱硝设施。同时，环保部已经与各省签订了“十二五”主要污染物减排目标责任书，如果未完成减排任务，将实行集团环评限批。也就是说，假如一企业集团下属水泥厂此项标准不达标，整个企业集团都将面临环评限批。此外，一些地方政府出台了更为严格的控制政策。广东、福建、四川、湖南、山西和杭州等省市均出台了严于国家标准的排放限值或更高的脱硝效率要求^[1-2]。

1.2分解炉

分解炉是水泥工业预分解窑技术的关键设备，具有燃料燃烧、气固传热、碳酸盐分解等功能。对于性能优良的分解炉，不仅要求具有高效性，同时也要求其运行可靠，既要求分解炉在满足生料的分解率、煤粉的燃尽率、污染物的产生和后续燃烧等方面具有较好性能，同时又需要其具有良好的抗波动能力。炉内气体的流动特性对炉内的煤粉燃烧和生料分解的影响是比较深远的。长期以来，分解炉的设计和性能的研究以往较多采用经验、理论分析、冷态试验研究与现场测试相结合的方法。但这些方法存在着费时、费用高或假设多等缺点。近年来，随着计算机技术和数值模拟理论的发展，给分解炉内部三维流场

的模拟带来了可能，目前已有学者对分解炉内部的二维或三维湍流流场进行了数值模拟研究^[3-6]。采用Realizable（带旋流修正的）双方程模型可以处理带旋流的流动，该模型能模拟分解炉的流动特性，因此能较好解决带旋流的分解炉的数值模拟问题。在分解炉下锥体结合部位附近（即高速区）下料和喂煤在较大气流速度和高的湍流动能的作用下向周围区域迅速分散，有利于生料的充分混合、煤粉的燃烧、传热和分解^[7]。

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