葉 樂 顧明言 吳 勇 劉倩倩 陳 光

(安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 )

環(huán)形套筒石灰窯由德國貝肯巴赫爐窯公司于20世紀(jì)60年代研究成功[1]。因設(shè)備簡單，操作和維修方便，石灰質(zhì)量優(yōu)良，是冶金、煤化工行業(yè)生產(chǎn)活性石灰窯的優(yōu)選窯型。環(huán)形套筒窯主要由窯體鋼外殼及耐火內(nèi)襯和與其同心布置的上、下內(nèi)套筒組成，在豎窯設(shè)有上、下兩層燃燒器，均勻錯(cuò)開布置。采用逆流煅燒和并流煅燒、欠氧燃燒與過氧燃燒相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)石灰質(zhì)量的有效控制[2]。

為了降低燃燒中NOx生成，燃燒過程采用煙氣再循環(huán)[3]、分級燃燒[4]、旋流[5]等技術(shù)，通過改善混合和燃燒過程來降低NOx生成。

某企業(yè)環(huán)形套筒窯下燃燒器采用煙氣再循環(huán)結(jié)合二次分級旋流燃燒，雖然實(shí)現(xiàn)了低NOx排放，但出口煙氣中CO濃度較高。文章以某企業(yè)環(huán)形套筒窯下燃燒器[6]為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，深入研究旋流角度對燃燒過程的影響，探尋提高燃燒效率，降低CO排放的合理旋流角度。

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

環(huán)形套筒窯下燃燒器主要由燃?xì)夤?、一次風(fēng)通道和二次風(fēng)蝸殼以及燃燒室等結(jié)構(gòu)組成。燃?xì)?、一次風(fēng)和二次風(fēng)分別由中心環(huán)形通道、外側(cè)環(huán)形通道和蝸殼進(jìn)入，燃燒室尺寸為Φ1 000 mm×5 000 mm。燃?xì)馔ǖ琅c一次風(fēng)通道內(nèi)均勻布置了8個(gè)旋流葉片，旋流葉片角度均為30°。

為探究燃?xì)夂鸵淮物L(fēng)旋流角度對環(huán)形套筒窯下燃燒器燃燒特性的影響，利用Fluent軟件對燃燒器內(nèi)的燃?xì)?、一次風(fēng)不同旋流角度(30°、35°、40°、45°、50°、55°)下的燃燒狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬[7]。

1.2 數(shù)學(xué)模型

研究采用Realizablek-ε模型模擬氣相湍流流動(dòng)[8]；采用化學(xué)反應(yīng)與組分運(yùn)輸模型模擬氣相湍流燃燒[9]；輻射傳熱計(jì)算采用DO輻射換熱模型[10]。

根據(jù)燃燒過程生成的NOx主要可分為三類。其中，因?yàn)槭请娛癄t氣燃燒，所以不考慮燃料型NOx，另外快速型NOx可忽略不計(jì)。文章主要采用的是熱力型NOx，它主要來源于高溫下空氣中的N2被氧化，其生成遵循拓展的Zeldovich[11]鏈鎖反應(yīng)機(jī)制，生成的主要化學(xué)方程式為：

1.3 網(wǎng)格劃分

對環(huán)形套筒窯下燃燒器的網(wǎng)格根據(jù)結(jié)構(gòu)采取不同的網(wǎng)格劃分[12]。經(jīng)不同網(wǎng)格數(shù)下網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，選擇數(shù)目為110萬的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 燃燒參數(shù)設(shè)置及工況

2.1 參數(shù)設(shè)置

燃燒中燃?xì)鉃殡娛瘹?，一次風(fēng)和二次風(fēng)中有循環(huán)煙氣加入，成分和參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 電石氣成分及參數(shù)

表2 一次風(fēng)和二次風(fēng)成分及參數(shù)

2.2 工況設(shè)置

主要研究燃?xì)夂鸵淮物L(fēng)不同旋流角度對燃燒過程的影響，具體模擬工況如表3所示。

表3 計(jì)算工況

3 模擬結(jié)果分析

3.1 溫度分布

圖1為軸向中心線溫度曲線分布。從圖中可以看出，燃?xì)庑鹘嵌扔?0°增大到55°，氣流的摻混和卷吸作用增強(qiáng)，爐膛內(nèi)部最高溫度升高且出現(xiàn)位置前移，即向燃料噴口移動(dòng)，爐內(nèi)軸向中心線最高溫度由1 801 K升高到1 856 K。

圖1 軸向中心線溫度曲線分布

當(dāng)一次風(fēng)旋流角度由35°增大到55°，爐內(nèi)軸向中心線上最高溫度由1 804 K升高到1 823 K，改變一次風(fēng)旋流角度對燃燒過程影響沒有改變?nèi)細(xì)庑鹘嵌让黠@。

3.2 壓力分布

表4為氣流在不同旋流角度下所造成的壓力損失。結(jié)果表明，當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌扔?0°增大到55°，燃?xì)馊~片所受到的壓力逐漸增加，壓力損失由127 Pa升高至252 Pa。當(dāng)一次風(fēng)旋流角度由35°增大到55°時(shí)，一次風(fēng)葉片上的壓力只是略微增加。

表4 壓力損失 Pa

3.3 速度分布

表5為中心軸線垂直截面(X=-0.125 m)上最高旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌扔?0°增大到55°時(shí)，最高旋轉(zhuǎn)速度由32.68 m/s增加到58.47 m/s，遠(yuǎn)高于僅是增大一次風(fēng)旋流角度時(shí)氣流的切向旋轉(zhuǎn)速度32.93 m/s。這是由于燃?xì)夤軆?nèi)燃?xì)饬繛?13 m3/h的，遠(yuǎn)大于一次風(fēng)管流量275 m3/h。當(dāng)旋流角度增大，燃?xì)夤軆?nèi)氣流受到葉片的擾動(dòng)作用就會更強(qiáng)，使得氣流的切向旋轉(zhuǎn)速度加快。

表5 截面最高旋轉(zhuǎn)速度 m/s

3.4 燃燒產(chǎn)物各組分沿軸向中心線分布

3.4.1 O2體積分?jǐn)?shù)分布

由軸向中心線O2體積分?jǐn)?shù)分布圖(圖略)可以看出，當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌扔?5°增大到55°時(shí)，從工況1至工況6中心軸線上的低氧體積分?jǐn)?shù)區(qū)間明顯縮短。其中，工況1在X=4.1 m處的氧體積分?jǐn)?shù)為6.27%，而工況6在X=3.485 m處氧體積分?jǐn)?shù)降至6.23%；當(dāng)一次風(fēng)旋流角度由35°增大到55°時(shí)，低氧體積分?jǐn)?shù)區(qū)間略微變窄，即工況7和工況9中X=3.485 m處的氧體積分?jǐn)?shù)僅由6.46%下降到6.36%。

3.4.2 CO濃度分布

圖2(a)為沿程平均CO體積分?jǐn)?shù)分布。在下燃燒器空氣系數(shù)1.91不變的情況下，當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌扔?0°增大到55°，從工況1至工況6高CO體積分?jǐn)?shù)區(qū)間明顯縮短，在X=3.485 m處CO體積分?jǐn)?shù)由0.71%下降到0.2%。表明，隨著燃?xì)庑鹘嵌仍龃?，卷吸更多氣體參與反應(yīng)，使得單位時(shí)間內(nèi)CO被氧化速率逐漸加快，燃燒效率提高。

圖2 (a)沿程平均CO體積分?jǐn)?shù)曲線分布 (b)內(nèi)套筒處CO含量

當(dāng)一次風(fēng)旋流角度由35°增大到55°時(shí)，在X=3.485 m處CO體積分?jǐn)?shù)由0.68%下降到0.47%。高CO體積分?jǐn)?shù)區(qū)間略微縮短，單位時(shí)間內(nèi)CO被氧化速率稍微加快。

從圖6(b)可以看出，當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌葟?0°增加到40°時(shí)，內(nèi)套筒處CO濃度下降速率較快，CO濃度由8 929 mg/m3降低至5 524 mg/m3；當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌葟?0°增加到55°時(shí)，內(nèi)套筒處CO濃度下降速率明顯變緩，由5 524 mg/m3降低至2 467 mg/m3。一次風(fēng)旋流角度從35°增加到55°，CO濃度由8 480 mg/m3降低至5 848 mg/m3。表明提高燃?xì)庑鹘嵌葘档虲O濃度更加有效。

3.4.3 CO2體積分?jǐn)?shù)分布

圖3為軸向中心線上CO2分布。結(jié)果表明，隨著燃?xì)庑鹘嵌扔?0°增大到55°，工況1至工況6中爐膛內(nèi)部高CO2體積分?jǐn)?shù)區(qū)域朝入口方向推進(jìn)，在X=3.485 m處CO2體積分?jǐn)?shù)由29.84%增加到30.44%；當(dāng)一次風(fēng)旋流角度由35°增大到55°時(shí)，X=3.485 m處的CO2體積分?jǐn)?shù)由29.88%增加到30.13%，即工況7至工況9高CO2體積分?jǐn)?shù)區(qū)間僅是略微縮短。

圖3 軸向中心線CO2體積分?jǐn)?shù)曲線分布

3.4.4 NOx濃度分布

圖4(a)為軸向中心線上NOx濃度分布。隨著旋流角度的增大，爐內(nèi)最高溫度依次升高，此時(shí)會促進(jìn)熱力型NOx的生成，即內(nèi)套筒處的NOx生成量增加。當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌扔?0°增加到55°時(shí)，X=3.485 m處NOx濃度由57 cm3/m3增加到72 cm3/m3。

圖4 (a)軸向中心截面NOx濃度分布 (b)內(nèi)套筒處NOx濃度

觀察圖8(b)可知，當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌扔?0°增加到55°時(shí)，氣體間混合更加充分，工況1至工況6內(nèi)套筒處的NOx濃度由77.3 mg/m3增加到97.1 mg/m3。經(jīng)換算基準(zhǔn)含氧量為10%O2時(shí)，NOx濃度由94.26 mg/m3增加到116.51 mg/m3。而一次風(fēng)旋流角度增大，對NOx生成影響不明顯。當(dāng)一次風(fēng)旋流角度由35°增加到55°時(shí)，工況7至工況9內(nèi)套筒處的NOx濃度由77.7 mg/m3增加到81.8 mg/m3。經(jīng)換算基準(zhǔn)含氧量為10%時(shí)，NOx濃度由94.69 mg/m3增加到99.07 mg/m3。均符合《石灰、電石工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求限值。

綜上所述，燃?xì)怏w積流量和旋流角度對燃燒特性均有影響，其中燃?xì)庑鹘嵌葘档臀廴疚锱欧诺男Ч麜用黠@。對于該燃燒器需控制燃?xì)庑鹘嵌仍?0°～45°，一次風(fēng)旋流角度為30°時(shí)，可明顯減少CO的排放。

4 結(jié)論

(1)燃?xì)庑鹘嵌葘θ紵^程影響較大，隨著燃?xì)庑鹘嵌鹊脑龃?，爐膛內(nèi)部最高溫度逐漸升高。而提高一次風(fēng)旋流角度，燃燒過程變化較??；

(2)當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌葟?0°增加到40°，內(nèi)套筒處的CO含量下降速率較快，由8 929 mg/m3降低至5 524 mg/m3；當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌葟?0°增加到55°，內(nèi)套筒處CO濃度下降速率明顯變緩，由5 524 mg/m3降低至2 467 mg/m3；

(3)旋流角度增大，NOx含量略有上升。當(dāng)燃?xì)庑鹘嵌扔?0°增加到55°，內(nèi)套筒處的NOx濃度由77.3 mg/m3增加到97.1 mg/m3。略高于改變一次風(fēng)旋流角度為55°時(shí)，內(nèi)套筒處NOx濃度的81.8 mg/m3。