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预分解窑窑头混煤高效低NO_X燃烧数值模拟研究

作　者: 黄日升
导　师: 徐顺生
学　校: 湘潭大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 水泥回转窑 FLUENT数值模拟混煤燃烧特性参数优化
分类号: TQ172.625
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水泥工业是我国高污染、高能耗的行业，品质优劣的煤种混合搭配燃烧对节约能源、降低水泥生产能耗和生产成本、环境保护等有重要的作用。但是大多水泥企业燃用混煤后，原有燃烧器的热工参数、二次风温、风量的大小等往往不能很好的匹配煤粉燃烧,出现煤粉难着火，火焰不稳定，燃烧效率低下，能耗高、污染重等问题。因此了解和研究水泥回转窑窑内流场分布及混煤的燃烧性能，以及对燃烧器操作参数及结构参数的优化很有必要。本文以中材湘潭水泥有限责任公司水泥回转窑为研究对象，通过现场热工测试、CFD数值模拟仿真及热重（TG）-差热（DSC）联合实验方法，开展了以下研究工作：（1）以中材湘潭水泥有限责任公司一尺寸为Φ4.8m×70m水泥回转窑为对象，根据现场测绘及热工测试结果确定初始计算条件，利用FLUENT软件，建立湍流输运方程、煤碳燃烧、污染物生成等数学模型，对回转窑窑头湍流冷射流运动规律进行了仿真研究，分析了中心风的开关对回流区大小、形状的影响，为后期的混煤燃烧研究提供理论依据。（2）在冷态模型的基础上，分析研究了四通道煤粉燃烧器的内外风量比、空气过量系数、二次风温度等操作参数对回转窑内煤粉燃烧及NO_x生成影响；优化了部分操作参数，最终得到在燃煤配比为1:1（烟煤：无烟煤），过量空气系数为1.10，煤粉粒径为88μm的工况下，对该规格的回转窑及其使用的四通道煤粉燃烧器而言，最佳的内外风量比为0.8，二次风温为1255K，此时煤粉充分燃烧，窑内熟料烧成区间长度为12m，火焰温度达到2200K，能很好满足水泥熟料的煅烧要求。回转窑内NO_x质量浓度为390.91mg/Nm~3小于400mg/Nm~3，达到国家NO_x排放标准。（3）采用热重（TG）-差热（DSC）联合实验方法对不同配比的混煤的着火和燃尽等特性进行热分析。利用热重分析仪在稳定升温速率后，测量煤样重量随着温度升高而减少的量，得到该煤样的热重曲线和DSC曲线，从图上计算出煤样开始放热温度Tstart、放热结束温度Tend、煤样燃烧持续时间t、总放热量q、失重速率dTg/dt等基本参数，得到水泥工业适用的多种混煤配比的燃烧性能指标：燃烧烈度I、平均放热强度Z、燃烧特性指数S，通过这几个指标对水泥燃煤的燃烧性能进行综合评价，为水泥厂选择合适的煤种及混煤比例、分解炉的选型、耐火材料的选择和水泥回转窑的热工调试提供了指导意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 我国水泥工业的发展现状及能耗水平  9-10
    1.1.1 我国水泥工业发展现状  9
    1.1.2 我国水泥工业用能现状  9-10
  1.2 预分解窑技术的发展  10-12
  1.3 回转窑窑内传热、传质研究现状  12-13
    1.3.1 回转窑的发展  12
    1.3.2 回转窑窑内燃烧、传热、传质研究现状  12-13
  1.4 混煤高效低 NO_x燃烧技术的研究现状  13-14
  1.5 课题来源及研究内容和意义  14-16
    1.5.1 课题来源  14
    1.5.2 研究内容及意义  14-16
第2章数学模型的建立  16-23
  2.1 数学模型  16-17
    2.1.1 质量守恒方程  16
    2.1.2 动量守恒方程  16
    2.1.3 能量守恒方程  16-17
    2.1.4 湍流流动数学模型  17
  2.2 煤粉燃烧数学模型  17-20
    2.2.1 非预混模型  17-19
    2.2.2 辐射换热数学模型  19-20
  2.3 熟料生成热效应的区段模型  20-21
    2.3.1 烧成带  20
    2.3.2 冷却带  20-21
  2.4 计算方法及计算软件  21-23
第3章预分解窑窑头煤粉燃烧数值仿真研究  23-37
  3.1 计算区域及网格划分  23-24
  3.2 边界条件  24-25
  3.3 模型验证  25-29
    3.3.1 数值模拟结果与分析  25-27
    3.3.2 实验结果与分析  27-29
  3.4 热工参数对煤粉燃烧的影响  29-37
    3.4.1 中心风对回流区的影响  29-30
    3.4.2 内外风量比对燃烧的影响  30-33
    3.4.3 二次风温对燃烧的影响  33-34
    3.4.4 过量空气系数对燃烧的影响  34-37
第4章混煤燃烧特性研究  37-47
  4.1 混煤燃烧的数值模拟研究  37-40
    4.1.1 混煤的制备  37-38
    4.1.2 计算结果及分析  38-40
  4.2 混煤热解特性实验研究  40-41
    4.2.1 实验方法  40
    4.2.2 实验仪器及实验步骤  40-41
  4.3 实验结果与分析  41-47
    4.3.1 TG/DSC 曲线  41-44
    4.3.2 结果分析  44-47
第5章预分解窑窑头 NO_x形成与控制  47-54
  5.1 NO_x生成分类  47-48
    5.1.1 燃料型 NO_x（Fuel-NO_x）  47
    5.1.2 热力型 NO_x（Thermal-NO_x）  47-48
    5.1.3 快速型 NO_x（Prompt-NO_x）  48
  5.2 NO_x生成模型  48
  5.3 热工参数对 NO_x浓度的影响  48-54
    5.3.1 内外风量比的影响  49-50
    5.3.2 二次风温的影响  50-52
    5.3.3 过量空气系数对 NO_x生成影响  52-54
第6章参数优化后窑内煤粉燃烧情况  54-58
  6.1 温度场  54-55
  6.2 速度场  55-56
  6.3 浓度场  56-58
    6.3.1 CO、O_2、CO_2浓度场  56
    6.3.2 NO_x、挥发分浓度场  56-58
结论与展望  58-61
参考文献  61-64
致谢  64-65
附录攻读硕士期间发表的学术成果  65

预分解窑窑头混煤高效低NO_X燃烧数值模拟研究

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