水泥三喷腾分解炉煅烧过程数值模拟研究
公司4 500 t/d TTF分解炉进行了数值建模。在选取Standard k-ε模型、离散相模型和组分传输模型模拟出流场和温度场的基础上，分析了煤粉燃烧过程及生料角度、三次风速度和温度对炉内煅烧过程的影响。结果表明：生料入射角度对分解率有较大的影响;三次风速度较大时，生料分解率和焦炭燃烬率也较高;三次风温度升高，会引起助燃空气不足，降低焦炭反应活性，从而降低燃烬率;通过优化3个参数，CaCO3分解率达到90.3%，焦炭燃烬率达到88.0%。开展水泥分解炉煅烧过程数值模拟研究并将之应用于实际工程项目中，可为优化水泥生产工况提供理论参考，对水泥工业与资源环境的协调发展具有较大的现实意义。
关键词：工业锅炉;TTF分解炉;煤粉燃烧;生料分解;优化;数值模拟
中图分类号：TK175文献标志码：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
近年来中国水泥产量居高不下，在获取产品的同时，消耗了大量的煤炭资源[1]。为此，国家对水泥行业的能耗总量和单位产品能耗提出了明确要求[2]。分解炉是目前水泥生产的核心设备之一，其内部主要发生煤粉燃烧和生料分解以及热交换等过程，这些过程相互作用，影响水泥产品的质量和能源消耗量[3-4]，针对分解炉内燃烧和分解过程及其影响因素进行研究显得尤为重要。
分析、冷模实验和工厂试验相比，运用Fluent软件进行分解炉数值模拟实验，更能高效展现炉内物理和化學过程，是目前研究分解炉的主要方式之一[5]。通过对分解炉内煤粉燃烧过程进行模拟，可得到炉内温度场和组分浓度场的细节信息[6-8]。例如：通过研究，耿宗俊等[9]得到了炉内最高温度为1 800 K;有不少研究者针对DD和DDF两种炉型分解炉内煤粉燃烧和生料分解耦合作用进行模拟，在得到炉内温度场、组分浓度场基础上，又分析了燃料、生料的物理化学过程[10-11];梅书霞等[12-14]针对分解炉内煤粉燃烧和碳酸钙分解进行了大量研究，其中包括煤粉、垃圾衍生燃料两种燃料共燃与碳酸钙分解耦合作用机制。目前，该领域的研究工作主要集中在DD和DDF两种炉型上，针对TTF分解炉的研究较少。此外，关于分解炉优化研究，主要以三次风、生料和煤粉结构参数对污染物生成规律的影响为主，对煤粉燃烧和生料分解研究较少[15-16]。