1、第 52 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.2 2023 年 2 月 Liaoning Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：博士启动基金（项目编号：2019-BS-189）；辽宁省大学生创新创业训练项目（项目编号：S202110149042）。收稿日期收稿日期：2022-04-22 作者简介作者简介：宋雨莳（2000-），男，辽宁省葫芦岛市人。通信作者通信作者：刘鹏（1986-），男，讲师，博士。回转窑废气-煤粉气固两相燃料 混合燃烧特性研究 宋雨莳，刘鹏，战洪仁，张先珍（沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）
2、摘 要：为了描述回转窑-矿热炉工艺中回转窑内部煤粉-炉气间气固两相传热传质机理和燃料混合燃烧特性，建立了三维气固两相燃料混合燃烧计算模型，揭示了气固两相的传热传质机理，探究 气-固燃料的混合燃烧对粉煤燃烧速率、火焰特性和烟气成分等的影响。结果表明：采用气固燃料的混合燃烧有助于增强燃料的湍动性，促进煤粉挥发和燃烧，提高窑内高温区范围，提高燃料利用率，焙烧区范围由 11.4 m 增加到 22.9 m。关 键 词：回转窑；余热余能回收；气-固两相；混合燃烧 中图分类号：TF801.2 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）02-0169-04 回转窑作为 RKEF 工艺的重要环节，
3、其矿料在焙烧过程中脱水-预还原的程度将影响合金中镍铁的品位。该工序的关键就是对温度的控制，而温度是否合理直接影响矿料在回转窑内干燥、热解、预还原等工序效果。随着数值模拟技术的发展，研究者开始采用实验与模拟相结合的方法对煤粉燃料燃烧特性进行研究。SAGASTUME1等提出利用废弃物作为辅助燃料方案，开展燃料混合燃烧的研究。随后，研究者对工业废料作为可替代燃料进行研究。TAN2等采用不同的燃烧模型研究煤与油泥混合燃烧对燃烧、NOx排放等的影响。BACKSTROM3等研究了煤与生物质等多种燃料的混合燃烧，并评估了燃料对火焰温度和辐射传热的影响。近年来，研究发现气-固燃料混合燃烧会对煤粉的扩散速率、燃
4、烧率、挥发分的挥发率等方面有益。GU4等通过煤和天然气混合燃烧的数值模拟，发现天然气的快速燃烧可以促进煤的燃烧，并利用天然气扩大高温区和焙烧区的范围。为了研究气-固燃料混合燃烧对火焰的影响，谢俊林5-7等深入研究了煤与天然气混合燃烧对火焰特性和温度的影响。邢文朝8等研究了不同煤种在煤粉工业锅炉上的适应性。本文基于气-固燃料的燃烧特性，建立煤粉和炉气（CO）混合燃烧数学模型，对煤粉颗粒运动轨迹、燃料燃烧速率、火焰特性、燃烧产物成分、燃烧区域的湍流运动和窑内温度进行数值分析。1 模型的建立 1.1 物理模型 在回转窑工艺中，红土镍矿与石灰石和无烟煤混合后进入回转窑中，依次经历干燥脱水、金属氧化物预
5、还原和石灰石热解等焙烧工序，如图 1 所示。本文研究的预还原回转窑的长度为 110 m、宽为 4.8 m，但为了确保网格质量特将回转窑的长度简化为 60 m。煤粉、炉气和助燃空气由窑头进入回转窑，且煤粉颗粒在旋流风的拖曳作用和重力影响下，其运动轨迹发生改变并迅速与空气和炉气混合。图 1 回转窑工艺流程图 1.2 数学模型建立 气相在烟道内的流动属于湍流流动，而标准 k-在模型可用于精确计算湍流的流场，且在计算管道内不同截面处流体流速时误差较小，因此选用标准k-可模型结合标准壁面函数描述炉气流动状态9-10。由于气相具有湍动性，会导致煤粉颗粒具有离散性，故采用随机轨道模型预测煤粉颗粒的扩散轨DO
6、I:10.14029/ki.issn1004-0935.2023.02.033170 迹11，其方程为 dupdt=式中：FD(u-up)g(rP-r)/rPF外加力项采用单动能速率模型描述挥发分生成速率dmpdt=k式中：fv,0挥发分在颗粒中的质量分数挥发分反应方程为coalvolatilechar挥发分从煤粉中释放出来后发生燃烧两步反应机理描述其燃烧过程CO 和 CO 氧化生成 volatile+vHCO+0.5O煤粉经过挥发反应后生成焦炭化过程被氧化化生成一氧化碳()C sOCO+()sC+()sC+()sC+随后，二氧化碳和水0.5OCO+0.5OH2+1.3 几何模型的建立及网格化
7、先采用嘴设置为空气成结构化网格提高计算准确性格数为 2 607 其方程为：=FDu up)颗粒单位质量曳力重力项；外加力项。采用单动能速率模型描述挥发分生成速率kmp 1 挥发分在颗粒中的质量分数挥发分反应方程为()(1)coalvolatilechar+-挥发分从煤粉中释放出来后发生燃烧两步反应机理描述其燃烧过程氧化生成 CO2volatile+vO2O2H2OH2O+vSOCO+0.5O2CO2煤粉经过挥发反应后生成焦炭化过程被氧化。故利用化生成一氧化碳、二氧化碳和氢气的过程22C sOCO+。CO0.5O22COCO2+2COOH+，一氧化碳和氢气进入气相二氧化碳和水，反应如下22CO0
8、.5O OH0.5O22几何模型的建立及网格化先采用 Gambit 软件建立回转窑几何模型嘴设置为空气、煤粉和炉气入口简化处理成结构化网格提高计算准确性607 990 个，见图图 2 回转窑网格细节 )+g(rp-r)rp+F颗粒单位质量曳力；采用单动能速率模型描述挥发分生成速率fv,0)1 fw挥发分在颗粒中的质量分数。挥发分反应方程为：()(1)coalvolatilechar+-挥发分从煤粉中释放出来后发生燃烧两步反应机理描述其燃烧过程，即挥发分氧化生成2两个过程。vCOCO+O2SO2+vN2N22。煤粉经过挥发反应后生成焦炭，故利用 4 个表面反应来描述焦炭氧二氧化碳和氢气的过程22
9、C sOCO。CO。2CO。2H+。一氧化碳和氢气进入气相反应如下：2。几何模型的建立及网格化 软件建立回转窑几何模型煤粉和炉气入口简化处理成结构化网格提高计算准确性，回转窑模型的总网见图 2。回转窑网格细节 辽 F。（采用单动能速率模型描述挥发分生成速率w,0)mp,0。（1()(1)+-。（挥发分从煤粉中释放出来后发生燃烧，并采用即挥发分氧化生成。vCO2CO2 2。（，经过燃烧和气个表面反应来描述焦炭氧二氧化碳和氢气的过程13-16：（一氧化碳和氢气进入气相，并被氧化成 （软件建立回转窑几何模型，将烧煤粉和炉气入口简化处理，以便生回转窑模型的总网 回转窑网格细节 宁 化 （1）采用单动能
10、速率模型描述挥发分生成速率12：（2）。（3）并采用即挥发分氧化生成（4）（5）经过燃烧和气个表面反应来描述焦炭氧：（6）（7）（8）（9）并被氧化成（10）（11）将烧以便生回转窑模型的总网 1.4 离散化守恒方程力-速度耦合并利用格林和衍生物表 1质量流量煤粉颗粒温度旋流空气温度轴流空气温度炉气温度窑尾压力2 高速射出喷嘴后示。这可能是由以下几个原因所引起部的旋流通道入窑内动更加紊乱而产生回流现象会对喷嘴附近的气体造成卷吸嘴附近压力降低种内外循环现象有利于高温气流对煤粉和助燃空气的预热充分混合 工 1.4 边界条件 本研究中回转窑燃烧模型采用隐式有限体积法离散化守恒方程速度耦合。利用二阶迎
11、风格式求解离散化过程并利用格林-高斯基于单元梯度评估法来计算梯度和衍生物，回转窑壁面按第三类边界条件设置1 所示。质量流量/(th-1)a=煤粉 炉气 总空气量 煤粉颗粒温度/K 旋流空气温度/K 轴流空气温度/K 炉气温度/K 窑尾压力/Pa 2 计算结果由于喷嘴尺寸很小高速射出喷嘴后。回转窑烧嘴附近存在内循环区域和外循环区域这可能是由以下几个原因所引起部的旋流通道，入窑内（见图 3动更加紊乱而产生回流现象会对喷嘴附近的气体造成卷吸嘴附近压力降低种内外循环现象有利于高温气流对煤粉和助燃空气的预热，并使得煤粉颗粒充分混合。图 3 本研究中回转窑燃烧模型采用隐式有限体积法离散化守恒方程，并利用利
12、用二阶迎风格式求解离散化过程高斯基于单元梯度评估法来计算梯度回转窑壁面按第三类边界条件设置表 1 操作条件=0%纯煤粉 a=20%8.697 0 111.839 计算结果 由于喷嘴尺寸很小，当助燃空气高速射出喷嘴后，会存在速度衰减现象回转窑烧嘴附近存在内循环区域和外循环区域这可能是由以下几个原因所引起，使得气流流出喷嘴后以一定角度流3(b)），加剧气相湍动动更加紊乱而产生回流现象会对喷嘴附近的气体造成卷吸嘴附近压力降低，从而形成压差产生回流现象种内外循环现象有利于高温气流对煤粉和助燃空气并使得煤粉颗粒、燃烧器附近的气流速度矢量 本研究中回转窑燃烧模型采用隐式有限体积法并利用 SIMPLE 算法
13、推导压利用二阶迎风格式求解离散化过程高斯基于单元梯度评估法来计算梯度回转窑壁面按第三类边界条件设置操作条件 =20%炉气 a=40%炉气6.32 5.861.58 3.9187.45 86.28385 304 374 503-100 当助燃空气、会存在速度衰减现象回转窑烧嘴附近存在内循环区域和外循环区域这可能是由以下几个原因所引起：一是由于喷嘴内使得气流流出喷嘴后以一定角度流加剧气相湍动，动更加紊乱而产生回流现象；二是高速射入的气流会对喷嘴附近的气体造成卷吸，并将其带走导致喷从而形成压差产生回流现象种内外循环现象有利于高温气流对煤粉和助燃空气、炉气等燃料与高温气体燃烧器附近的气流速度矢量 20
14、23年2月本研究中回转窑燃烧模型采用隐式有限体积法算法推导压利用二阶迎风格式求解离散化过程，高斯基于单元梯度评估法来计算梯度回转窑壁面按第三类边界条件设置，如炉气 a=58%炉气5.86 5.22 3.91 7.34 86.28 85.47、煤粉和炉气会存在速度衰减现象，如图 3 所回转窑烧嘴附近存在内循环区域和外循环区域。一是由于喷嘴内使得气流流出喷嘴后以一定角度流，使得气体流二是高速射入的气流并将其带走导致喷从而形成压差产生回流现象。这种内外循环现象有利于高温气流对煤粉和助燃空气炉气等燃料与高温气体 燃烧器附近的气流速度矢量 月 本研究中回转窑燃烧模型采用隐式有限体积法算法推导压 ，高斯基
15、于单元梯度评估法来计算梯度如 煤粉和炉气所。一是由于喷嘴内使得气流流出喷嘴后以一定角度流使得气体流二是高速射入的气流并将其带走导致喷这种内外循环现象有利于高温气流对煤粉和助燃空气炉气等燃料与高温气体第 52 卷第 2 期 图 4 为沿回转窑轴向截面的温度云图明随着燃料中炉气比例的增加都有所增大火焰长度和高温区范围燃烧可加快煤粉燃烧速度这主要是因为有下沉趋势在湍动能的影响下扩散，加快火焰传播速度度；由于气体燃料具有燃烧温度低和快速燃烧等优点，可促进煤粉中挥发分的释放及燃烧回收矿热炉炉气中一氧的快速燃烧图 4 不同炉气量沿回转窑轴向截面的温度云图图 5 为回转窑中实际生产中矿料的填充率一般为为 1
16、.4 m，所以矿料的焙烧情况量的增加，区也相应扩大粉作为燃料时最小。同时由 11.4 m 增加到图 5 不同炉气量沿回转窑纵向截面的温度云图3 结 论通过对回转窑流程中诸多复杂物理期 为沿回转窑轴向截面的温度云图明随着燃料中炉气比例的增加都有所增大。当煤粉单独作为燃料时火焰长度和高温区范围燃烧可加快煤粉燃烧速度这主要是因为：由于煤粉颗粒会受到重力作用具有下沉趋势，阻碍了燃料的扩散不利于火焰传播在湍动能的影响下，加快火焰传播速度由于气体燃料具有燃烧温度低和快速燃烧等可促进煤粉中挥发分的释放及燃烧回收矿热炉炉气中一氧的快速燃烧，增加火焰长度和范围不同炉气量沿回转窑轴向截面的温度云图为回转窑中 Y=实际生产中矿料的填充率一般为所以Y=1 m矿料的焙烧情况。由图，Y=1 m 的截面上温度会逐渐升高区也相应扩大，从而增大焙烧区范围粉作为燃料时，温度相对最低同时，随着炉气掺混量的增加增加到 22.9 m不同炉气量沿回转窑纵向截面的温度云图论 通过对回转窑流程中诸多复杂物理 宋雨莳，为沿回转窑轴向截面的温度云图明随着燃料中炉气比例的增加，火焰的长度和宽度当煤粉单独作为燃料时火焰长度和高温区范围。另外
