基于数值模拟的石灰双膛竖窑NO_x控制技术_周浩宇.pdf

工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.2023石灰是一种功能多样的材料，广泛用于钢铁生产、建筑工程、石油化工、轻工业和农业等多个行业1。据统计2，全世界的石灰年产量达到了3.5亿t，其中约50%的石灰用于钢铁冶金行业，生石灰作为炼钢过程中的添加剂和造渣材料，可以有效剔除铁水中的P和S，发挥着不可替代的作用。此外也多用于农药、医药、干燥剂、制革及醇的脱水等。在石灰工业生产过程中，天然石灰石被压碎成几厘米大小的颗粒，置于石灰窑中进行加热、煅烧，碳酸钙在高温下转化为氧化钙（即石灰）和二氧化碳3。石灰窑作为生产石灰的主要设备，其结构随着国家能源结构和石灰石品质的变化而改进4。当前，我国运行的石灰窑中以并流蓄热式双膛石灰窑技术最为先进5（见图1），窑身上部有换向系统，用于交替轮换使用两个窑身；在窑身煅烧带的下部设有彼此连通的通道；煤气或煤粉喷枪安装于预热带，并埋设于石灰石中。操作时每隔1015 min变换一次窑身功能，即每个窑身每隔一个周期加热一次。随着我国环保要求日益严格，石灰窑要达到超低排放清洁生产要求也越来越难，尤其是在NOx排放方面，双膛窑因其工艺特殊性存在NOx周期性阶跃的特点，在未来很可能因为NOx峰值超标被限产或是强行增设后端脱硝系统。为此，本文以数值仿真收稿日期：2022-07-13作者简介：周浩宇（1981），男，高级工程师，主要从事钢铁工业节能减排及热工设备研发方面工作.基于数值模拟的石灰双膛竖窑NOx控制技术周浩宇1，伍东玲2，陈梅洁2，刘前1，万忠炎1，李峰3（1.中冶长天国际工程有限责任公司，湖南 长沙410205；2.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙410083；3.仙福钢铁有限公司，云南 玉溪653401）摘要：通过模型建立与数值分析，探讨了并流蓄热式双膛石灰竖窑生产过程中NOx的排放特征，发现了导致该特征的原因是双膛换向热惯性行为；针对排放特征提出了周期性偏析供煤技术方案。新方案与现有技术方案相比，可有效降低换向初期的NOx生成量峰值，最高可降低50%左右。关键词：并流蓄热式双膛石灰竖窑；周期性偏析供煤；低NOx生产中图分类号：TQ177.2+6；X701文献标识码：A文章编号：1001-6988（2023）01-0001-05NOxControl Technology of Lime Double Chamber Shaft Kiln Based onNumerical SimulationZHOU Haoyu1,WU Dongling2,CHEN Meijie2,LIU Qian1,WAN Zhongyan1,LI Feng3（1.Zhongye Changtian International Engingeering Co.Ltd.,Changsha 410205,China;2.School of EnergyScience and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China；3.Yuxi Xianfu Iron&Steel（Group）Co.Ltd.,Yuxi 653401,China.）Abstract:Through model establishment and numerical analysis,the emission characteristics of NOxinthe production process of parallel flow regenerative double chamber lime shaft kiln are discussed,and it isfound out that the reason for this characteristic is the reversing thermal inertia behavior of double chambers.According to the emission characteristics,a technical scheme of periodic segregation coal supply is pro-posed.Compared with the existing technical scheme,the new scheme can effectively reduce the peak valueof NOxgeneration at the beginning of reversing,which can be reduced by 50%at most.Key words:parallel flow regenerative double chamber lime shaft kiln;periodic segregation coalsupply;low NOxproduction1图1并流蓄热式双膛石灰窑结构示意图预热段煅烧段冷却段模拟为研究手段，以石灰煅烧用并流蓄热式双膛竖窑为研究对象，对NOx排放特性与控制技术开展了深入剖析，力求找到有效的石灰双膛窑过程端低NOx生产手段。1石灰双膛竖窑非稳态多物理场数值模型1.1物理模型与网格划分并流蓄热式双膛石灰窑三维整体物理模型如图2所示。对于上述结构，由于窑膛下部的支撑板数量较多且结构不规则，因此不利于使用结构化网格划分。由于非结构化网格具有对结构的适应能力强、生成速度快等特点，故使用非结构网格对模型进行网格划分，如图3所示。1.2非稳态煅烧与蓄热过程数值模拟的实现并流式双膛石灰窑的煅烧膛与蓄热膛交替轮换工作，是一典型的含化学反应的非稳态多相流动传热过程，在生产实践中，煅烧与蓄热的工作过程如图4所示，煅烧过程与蓄热过程均在工作864 s后进行功能切换，因此，模拟计算中一个膛的完整工作周期为2864 s。当用欧拉方法描述煅烧膛非稳态流动传热过程时，可用下述通用控制方程表示：鄣鄣t+鄣鄣xi（ui-鄣鄣xi）=S（1）式（1）中，取1、u、T、Y时，分别代表连续性方程、动量方程、能量方程以及组分输运方程，、S取相应的扩散系数以及源项。2石灰双膛竖窑NOx场模拟结果2.1热力型NOx结果热力型NOx的生成需要较高的温度，根据非稳态煅烧得到的不同时刻温度场进行热力型NOx计算，其结果如图5所示。同时，将不同时刻窑内热力型NOx平均体积浓度整理成曲线图如图6所示。由图5、图6可知，在换膛初期由于气相温度不够高，热力型NOx的生成量较少，换膛后40 s时，气相温度达到最高，此时生成的热力型NOx的体积分数最大值为0.007 2，同时进入环形通道中烟气热力型NOx的平均体积分数为10210-6，此时的热力型NOx的生成量已经和燃料型NOx的生成量较为接近。随后由于气试验研究：基于数值模拟的石灰双膛竖窑 NOx控制技术图3并流蓄热式双膛石灰窑网格划分示意图图2并流蓄热式双膛石灰窑三维物理模型图煅烧膛蓄热膛助燃风入口支撑板环形通道冷却风入口图4并流蓄热式双膛石灰窑工作过程示意图A窑煅烧煅烧蓄热B窑蓄热蓄热煅烧煤粉喷吹喷枪冷却烟气预热煤粉燃烧阶段煤粉燃尽阶段蓄热阶段804 s60 s864 s烟气烟气烟气2工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月相温度降低，热力型NOx的生成量也逐渐降低直至可以忽略不计。2.2燃料型NOx结果由于燃料型NOx主要取决于燃料中含氮化物的情况，温度影响较小，同时考虑到煅烧过程喷煤燃烧40 s时气相局部温度达到最大值，热力型NOx浓度最大，故以该时刻的温度场为基础，结合煤粉有机N检测结果（1.16wt.%），对煅烧过程喷煤燃烧时的燃料型NOx开展了数值模拟。图7展示了煅烧过程中燃料型NOx的体积分数分布云图。可以发现，进入环形通道的NOx平均体积分数为19210-6左右。2.3总NOx结果将上述热力型和燃料型两种NOx模拟结果进行累加，得到环形通道截面处总的NOx浓度随时间变化曲线，如图8所示。由图可知：换膛后020 s的NOx浓度增长较缓慢，2040 s的NOx浓度快速上升，最高平均体积分数已接近32010-6，换膛40 s后NOx浓度开始缓慢降低。将该结果与生产过程中检测的烟气NO浓度变化曲线进行比较，两者表现出相近的变化趋势：即在换膛后NO浓度存在一个峰值；由于蓄热膛排出烟气需考虑其底部冷却风的影响，烟气中NO浓度将小于环形通道烟气浓度，因此环形通道烟气浓度32010-6与实际值相接近；煅烧过程稳定后，环形通道处烟气中NO主要来源于燃料型NO，其浓度值为19210-6。2.4小结（1）换膛后40 s时生成的热力型NOx的体积分数达到最大值，环形通道连接截面烟气中热力型NOx平均体积分数为10210-6。（2）对燃料型NOx进行了数值模拟，进入环形通道烟气中NOx平均体积分数为19210-6。图7燃料型氮氧化物体积分数分布云图NOx体积分数NOx体积分数（a）0 s（b）20 s（c）40 s（d）60 s（e）80 s（f）100 s图6热力型NOx平均浓度变化曲线图图5不同时刻热力型NOx浓度分布云图时间/s1201008060402000102030405060708090100NOx浓度/10-6NOx体积分数NOx体积分数NOx体积分数NOx体积分数NOx体积分数NOx体积分数图8环形通道截面总NOx平均浓度变化曲线图时间/s0102030405060708090100300280260240220200NOx浓度/10-63（3）总的NOx随时间的变化趋势与生产实践中的趋势相一致，即换膛后存在一个NOx峰值，其值在30010-6左右；煅烧稳定后的NOx主要来源于燃料型。3周期性偏析供煤低NOx生产技术3.1周期性偏析供煤技术的提出基于石灰双膛竖窑NOx特性分析结果，提出上下级供煤方案，即0100 s期间单个喷枪的煤粉流量分别为0.01 kg/s和0.015 kg/s，100804 s期间单个喷枪的煤粉流量分别调整为0.021 4 kg/s和0.020 7 kg/s（保持804 s内总喷煤量不变），804864 s期间停止喷煤（燃尽期）。对于这种上下分级供煤方式，应用前面的模型与方法，对石灰窑煅烧、蓄热过程进行多物理场数值仿真，研究煤粉上下级供给方式对NOx浓度分布的影响。3.2不同供煤方案下热力型NOx浓度分析考虑到生产过程中，NOx浓度峰值主要出现在换膛初期，后期的NOx浓度比较平稳，而本研究重点探究NOx浓度峰值的形成过程，因此为减少非稳态计算工作量，仅对煅烧过程的前300 s进行模拟计算。图9展示了0.01 kg/s、0.015 kg/s两种周期性偏析供煤方案下煅烧150 s时的气相温度场，其中0.015kg/s的喷煤量预热时对应的气相最高温度更高一些，为2 140 K，而0.01 kg/s的喷煤量预热时对应的气相温度为2 120 K。且前者对应的高温区范围更大，致使热力型NOx的浓度值更高一些，如图10所示。提取三种不同供煤方案下煅烧过程0300 s环形通道烟气中的热力型NOx浓度曲线，并将其结果同基准工况下的结果进行对比，如图11所示。由图可知：（1）0100 s预热期间，由于周期性偏析供煤方案对应的气相温度较低，几乎没有热力型NOx生成，而基准工况此时的热力型NOx浓度已经经历了最高值。（2）100150 s煅烧期间，周期性偏析供煤方案的气相温度迅速上升，由于此前气相温度已经相对较高，因此会在较短的时间内到达最高温度，预热煅烧总时长150 s后环形通道烟气热力型NOx质量分数达到最高值。0.01 kg/s、0.015 kg/s两种工况对应的结果分别为4910-6、5610-6。但由于预热100 s时，固相温度已经达到分解温度，需要吸收大量的热量，致使热力型NOx质量分数的最大值较基准工况低。（3）煅烧150 s后，热力型NOx逐渐降低，这一趋势同基准工况一致。由热力型NOx的浓度变化对比可知，分时供煤方案能够降低煅烧初