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套筒对烧石灰窑的燃烧模型及控制方法

荣文杰  
【摘要】:近年来,我国电石行业已广泛使用套筒窑来生产活性石灰,与普通竖窑生产的石灰相比,此类窑炉生产出来的石灰产品质量好,活性度高,可降低电石生产成本,有效地保证电石产量和质量。同时,密闭电石炉尾气含有大量的CO,是一种可利用的能源介质,若对电石炉尾气进行合理的回收再利用,可以节约能源,并有效降低企业的生产成本、提高经济效益。本文采用数值模拟方法对以电石尾气为燃料的新型套筒对烧窑建立数学模型,研究其燃料燃烧特性和生产工艺控制,为新型窑的生产提供预测和理论基础。本文的研究内容分为燃烧室模型和窑膛模型两部分。燃烧室模型的计算是按照套筒对烧石灰窑燃烧室及烧嘴实际尺寸建立几何模型,基于有限体积法,用realizable k-ε湍流模型考虑气体在燃烧室内的流动,燃料从烧嘴中心流道进入燃烧室,助燃气从中心流道外面的呈环形分布的10个流道进入燃烧室,是典型的非预混燃烧,计算模型采用非预混燃烧模型里的平衡化学反应模型。燃料在燃烧室内燃烧后温度升高,燃烧室换热过程中辐射换热变得愈加明显。采用DO模型考虑气体辐射。将研究结果中的温度分布与文献中的实验结果进行比较,吻合良好,验证了计算结果的准确性。燃烧室模型的计算首先考虑了电石尾气与传统套筒窑燃料天然气和高炉煤气的对比,进而分析过量空气系数和空气预热温度对电石尾气燃烧的影响,研究结果表明:与天然气和高炉煤气两种传统燃料相比,电石尾气的热值介于二者之间,在同样热耗情况下,燃烧温度高于高炉煤气而低于天然气。由于燃烧室结构复杂,电石尾气在过量空气系数为1.0,1.1,1.2和1.3时,都没能实现完全燃烧,燃烧率分别达到92%,95%,98%和99%。燃料预热不变,随着空气预热温度的上升,电石尾气温度分布由集中变得分散,径向扩展逐渐增强,导致燃烧室横截面温度越来越均匀。并且随着空气预热温度逐渐增加,燃烧室的轴向截面平均温度逐渐上升。在窑膛模型的计算过程中,为了提高计算效率,选取实际窑的1/12建立数学模型。采用多孔介质模型考虑石灰石在烟气内的流动过程,并通过自编程考虑烟气和石灰石之间的对流换热以及石灰石在窑内的分解吸热和二氧化碳释放。计算过程中首先比较窑膛空烧和多孔介质情况下的流场分布特征,进而分析过量空气系数和石灰石粒度对窑膛流场和温度场的影响,得到如下结论:空烧和石灰石填充两种情况下,窑膛烟气的最高速度分别为8.54 m/s和5.16 m/s。当窑膛空烧时,流场有明显的漩涡产生,而实际窑膛流场分布均匀,没有漩涡。过量空气系数超过1.0以后,速度明显增大,而过量空气系数为1.1和1.2时速度大小比较接近。在过量空气系数为1.0,1.1,1.2和1.3时,最高速度分别为5.16m/s,6.04m/s,6.18m/s和6.35m/s。石灰石粒度的比较计算过程中,认为烟气进入窑膛的入口边界条件不变,并且孔隙率保持不变,窑膛典型位置的速度比较发现,石灰石粒度对窑膛流场的影响很小。而对温度场的比较发现石灰石粒度对窑膛内烟气温度的影响不大,对固体温度影响明显,在窑膛不同高度的径向温度比较过程中都可以得到随着粒径增加固体温度逐渐降低的变化规律。


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