水泥回转窑四通道燃烧器NOx生成与控制的数值模拟

作     者：秦中华 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柳朝晖

授予年度：2011年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：水泥回转窑 NOx生成与控制 四通道燃烧器 数值模拟 

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。