水泥回转窑四通道燃烧器NOx生成与控制的数值模拟

论文摘要

氮氧化物是大气污染的主要污染源之一,且回转窑是水泥工业NOx主要产生源头。随着我国不断提高水泥工业NOx排放标准,开发水泥窑低NOx燃烧器已成为必然趋势。为了提高燃烧器的性能,降低污染物的排放,某设计院开发了新型四通道燃烧器,但在实际应用过程中存在NOx排放过高等问题。由于测量手段的限制,通过数值模拟解决燃烧器实际运行过程中存在的问题具有重要的意义。本文主要研究水泥窑内氮氧化物的生成及控制,试图通过改变燃烧器的操作参数寻求控制NOx的方法。本文首先对水泥回转窑内煤粉燃烧的数学模型进行了归纳、总结和比较。重点介绍了各数学模型的原理,比较了动力学/扩散控制模型与CBK模型、双平行模型与CPD模型的之间的精度和计算量,建立一套较为完善的描述水泥回转窑内NOx生成物理数学模型。数值模拟结果显示,本文优选的的数学模型适合水泥回转窑内煤粉燃烧的数值模拟。其次,本文借助商业FLUENT软件对设计工况下燃烧器的燃烧性能进行了数值模拟研究。详细分析了窑内的速度场以及内外回流区的分布,数值模拟结果能较准确的表现出燃烧器的内部流动的规律,达到了解燃烧气相流场的目的。另外,本文重点讨论了窑内的温度场、重要组分和NOx的浓度分布。结果显示,窑内温度分布和高温区位置与现场测量数据相符。定性上分析,氧气等重要组分及NOx的浓度分布趋势正确,为燃烧器的研发提供了理论支持。最后,本文通过改变轴流风速和旋流风速等操作参数来研究窑内热态流场及NOx生成的影响。数值模拟结果显示,随着轴流风速的变大,高温区向轴心处靠拢,气相温度分布更加合理。当旋流风速的增加,火焰变短,沿径向变粗,与现场观测现象相符。另外,随着轴流风速或旋流风速的增加,燃烧初段NOx生成量略有升高,但窑内NOx的峰值降低,有效的控制出口NOx的排放浓度。NOx的分布趋势定性上正确,具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 新型干法水泥生产技术
• x生成与控制方法'>1.3 燃烧过程中NO_x生成与控制方法
• 1.4 水泥窑煤粉燃烧器数值模拟的研究现状
• x生成与控制数值模拟的研究现状'>1.5 水泥窑内NO_x生成与控制数值模拟的研究现状
• 1.6 本文的主要工作内容
• 2 水泥回转窑煤粉燃烧的数学模型
• 2.1 气相湍流模型
• 2.2 气相燃烧模型
• 2.3 颗粒轨道模型
• 2.4 煤粉燃烧模型
• 2.5 辐射模型
• x生成模型'>2.6 NO_x生成模型
• x生成的数值模拟'>3 水泥回转窑内NO_x生成的数值模拟
• 3.1 Solidworks几何建模
• 3.2 ICEM-CFD网格划分
• 3.3 边界条件及重要参数
• 3.4 模拟结果及分析
• 3.5 本章小结
• x控制的数值模拟'>4 水泥回转窑内NO_x控制的数值模拟
• x生成的影响'>4.1 轴流风速变化对窑内NO_x生成的影响
• x生成的影响'>4.2 旋流风速变化对窑内NO_x生成的影响
• 4.3 模拟结果与现场实际验证对比
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结及展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 对今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献