摘要

目前國(guó)內(nèi)可供水泥窯大規(guī)模使用的替代燃料主要是由生活垃圾經(jīng)過(guò)破碎、篩分和干化等預(yù)處理工藝后制備的衍生燃料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)RDF），雖然具有一定的熱值，但是仍然存在粒度大、水分高、灰分高、均勻性差等特性，與煤炭差異較大，投加到水泥窯的氣固多相環(huán)境中仍然存在燃燒不穩(wěn)定、燃盡率低、系統(tǒng)工況波動(dòng)大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了RDF在水泥窯的運(yùn)用。為此，本文系統(tǒng)地進(jìn)行了RDF燃燒特性和燃燒動(dòng)力學(xué)分析，在此開(kāi)發(fā)了水泥窯大比例使用替代燃料的新型分解爐，成功解決了非化石燃料在水泥窯分解爐內(nèi)大替代比使用的關(guān)鍵難題。

1.1　RDF的工業(yè)分析

水泥窯使用的RDF及煤粉工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，RDF揮發(fā)分含量很高，灰分大，固定碳含量低，其熱量主要來(lái)源于揮發(fā)性物質(zhì)。而煤粉的揮發(fā)分低，固定碳含量高，因此煤粉顆粒中焦炭的燃燒速度是決定其能否燃盡的主要因素。

表1　RDF與煤的工業(yè)分析

1.2　RDF的表面孔隙結(jié)構(gòu)

RDF顆粒的比表面積在1 m2/g以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤粉，而平均孔徑大于煤粉，說(shuō)明RDF顆粒內(nèi)外部孔隙遠(yuǎn)沒(méi)有煤粉的豐富，特別是小孔與微孔的數(shù)量均少于煤粉。在化學(xué)反應(yīng)速度控制的反應(yīng)體系中，比表面積對(duì)燃料的反應(yīng)性有決定性的影響，比表面積越大，孔隙越豐富，與氧氣的接觸面也越大，燃燒反應(yīng)越強(qiáng)烈，燃燒就越完全，因此在同等情況下RDF比煤粉更難燃盡。RDF與煤粉顆粒的表面孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　RDF與煤粉顆粒的表面孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3　RDF的著火特性

RDF與煤粉的著火溫度見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，與煤粉對(duì)比，RDF的著火溫度較低（約260 ℃），表明RDF能夠較早地開(kāi)始著火燃燒。RDF和煤粉燃燒著火穩(wěn)定性判別指數(shù)見(jiàn)圖2，三種RDF的可燃性判別指數(shù)C均值為7.29，穩(wěn)燃判別指數(shù)M均值為5.94，通過(guò)對(duì)比各種燃料的可燃指數(shù)和穩(wěn)燃指數(shù)可以看出，RDF屬于極易穩(wěn)定區(qū)。并且與煤粉相比，RDF的可燃性以及后續(xù)燃燒穩(wěn)定性都優(yōu)于煤粉。

圖1　RDF與煤粉的著火溫度

圖2　RDF與煤粉的著火穩(wěn)定判別指數(shù)

RDF顆粒投入分解爐內(nèi)后，隨著溫度的升高揮發(fā)分析出，其成分也隨之變化，意味著RDF熱解階段活化能E和頻率因子K在不同的溫度下是不同的，因此E和K應(yīng)是RDF顆粒溫度Tp的函數(shù)，即E（或K）=f（Tp）。在給定的溫度下，RDF顆?？赡苡袔追N揮發(fā)分同時(shí)釋放出來(lái)，因此在整個(gè)揮發(fā)過(guò)程的每一時(shí)刻，存在一個(gè)平均的E和K值，即E（或K）=f1（Tp）。實(shí)際上對(duì)RDF顆粒來(lái)講Tp是未知的，因此很難給出特定的表達(dá)式，現(xiàn)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，用RDF顆粒的終溫T∞代替Tp，用等值的E和K來(lái)代替RDF在整個(gè)熱解過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，根據(jù)質(zhì)量作用定律就得到了E（或K）=F（T∞）的關(guān)系。

（1）RDF顆粒熱解動(dòng)力學(xué)方程：

式中：

V——揮發(fā)出的質(zhì)量百分比；

R——理想氣體常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度；

E、K——分別為給定溫度T∞下的等值活化能和等值頻率因子，E和K值僅與RDF顆粒的終溫和揮發(fā)速率有關(guān)；

V∞——在某一溫度下，反應(yīng)時(shí)間t→∞時(shí)揮發(fā)分析出的最終含量，由實(shí)驗(yàn)確定。

（2）RDF顆粒的能量方程：

式中：

ρc——RDF的密度；

Cpc——對(duì)應(yīng)溫度下的比熱；

r——RDF顆粒的半徑；

qv——熱解潛熱；

Vp——RDF顆粒體積；

Gv——RDF顆粒單位體積的揮發(fā)分釋放速率。

由于RDF顆粒的孔隙率在熱解過(guò)程中不斷增加，因此其導(dǎo)熱系數(shù)將減小，并趨近于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。為了簡(jiǎn)化，假定λ=λ（T∞）和Cpc=Cpc（T∞），代表RDF顆粒熱解過(guò)程中的平均導(dǎo)熱系數(shù)和平均比熱。根據(jù)量級(jí)分析，方程（2）中的某些項(xiàng)比其他項(xiàng)要小得多，可以忽略，故該式可簡(jiǎn)化為：

其邊界條件為：

初始條件為：

（3）RDF顆粒的質(zhì)量方程：

聯(lián)立求解方程（1）、（3）、（4），即可得到RDF顆粒揮發(fā)分析出的質(zhì)量百分比與時(shí)間的方程V=V（t）。

RDF中固定碳的含量很少，熱值主要來(lái)自揮發(fā)分。RDF顆粒裂解氣化釋放出小分子可燃質(zhì)揮發(fā)分，與分解爐內(nèi)的氧氣能夠進(jìn)行快速的均相燃燒反應(yīng)，因此其燃燒速度主要取決于氣化裂解速度。

RDF顆粒喂入分解爐時(shí)具有一定的初始速度和運(yùn)動(dòng)方向，在自身重力、氣體浮力以及流動(dòng)氣體阻力的綜合作用下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)顆粒在高溫?zé)煔庵胁粩嗟亓呀鈿饣腿紵?，其粒度尺寸不斷減小直至燃盡。顆粒在氣流中的速度方程如下式：

式中：

m——顆粒的質(zhì)量；

u——顆粒在氣流中的相對(duì)速度；

V——顆粒的體積；

Ps——顆粒密度；

Pg——?dú)饬髅芏龋?/p>

Φ——形狀系數(shù)；

D——顆粒直徑；

C——阻力系數(shù)。

根據(jù)RDF的燃燒模型，可知其粒度直徑與時(shí)間的關(guān)系D=D（t）。聯(lián)立上述方程積分求解，可得RDF顆粒在分解爐內(nèi)的速度方程u=u（t），對(duì)速度方程繼續(xù)積分可得RDF顆粒在分解爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程S=S（t）。S（t）由下式給出：

初始喂入分解爐的RDF顆粒粒度較大，此時(shí)重力大于氣體阻力，顆粒向下加速與氣流逆向運(yùn)動(dòng)。在下落的過(guò)程中，由于顆粒自身不斷地裂解氣化與燃燒，粒度變小，單位質(zhì)量顆粒受到的氣體阻力不斷增大，當(dāng)顆粒受到單位質(zhì)量的氣體阻力開(kāi)始大于剩余重力，顆粒開(kāi)始減速下落，當(dāng)顆粒進(jìn)一步縮小到某一粒度時(shí)，最后顆粒跟隨氣流做同向運(yùn)動(dòng)。

由于RDF顆粒粒度較大，而分解爐的柱體風(fēng)速一般在8~10 m/s左右，因此部分大顆粒的RDF未在分解爐里充分燃燒就直接短路落入窯內(nèi)，造成窯內(nèi)還原氣氛及結(jié)皮。為保證RDF顆粒的充分燃燒，在分解爐的高度方向上設(shè)計(jì)多層噴騰縮口，通過(guò)氣流高速?lài)婒v的沖擊，讓粗顆粒RDF不斷地在分解爐內(nèi)翻騰返混，從而延長(zhǎng)顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間，增加氣固兩相的混合效果，保證其完全燃燒。

RDF顆粒在初始速度矢量和分解爐內(nèi)氣流的雙重作用下，在分解爐內(nèi)并非沿著鉛垂面進(jìn)行簡(jiǎn)單的上下運(yùn)動(dòng)，為研究RDF顆粒在分解爐高度上的變化量H，對(duì)軌跡方程在垂直方向Z軸上的分量進(jìn)行求解。H由下式給出：

對(duì)于多尺寸粒度組成的RDF顆粒群組，其在高度上的運(yùn)動(dòng)方程可寫(xiě)為H=SZ（ρ，D，t），即顆粒群組在分解爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)高度范圍與各顆粒密度、尺寸也有關(guān)系。因此根據(jù)煤粉及不同粒度RDF之間的耦合燃燒，以及分解爐內(nèi)氧氣濃度的縱向分布，提出煤粉、異質(zhì)RDF及生料的多點(diǎn)分區(qū)喂料，實(shí)現(xiàn)煤粉、異質(zhì)RDF的高效梯度燃燒。

由于分選后RDF的燃燒特性存在差異，大替代比RDF分解爐采用全新設(shè)計(jì)理念：（1）三次風(fēng)雙旋切進(jìn)入渦流室；（2）三噴騰設(shè)計(jì)；（3）異質(zhì)RDF、生料與煤粉的多點(diǎn)分區(qū)喂料；（4）RDF與煤粉在底部的氣化脫氮，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

兩股三次風(fēng)同旋向旋切進(jìn)入分解爐底部渦流室，可增強(qiáng)三次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，形成的渦旋氣流強(qiáng)化了分解爐徑向上氣固兩相的混合效果，提高了分解爐的有效爐容利用率。在RDF喂入渦流室的起始階段，團(tuán)聚狀態(tài)的RDF在重力作用下進(jìn)入三次風(fēng)中，隨即被高溫高速旋轉(zhuǎn)的三次風(fēng)打散與加速，一部分RDF隨著三次風(fēng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)熱、氣化與燃燒，伴隨尺寸不斷減小，最后隨著三次風(fēng)經(jīng)過(guò)分解爐的中部縮口噴騰后進(jìn)入分解爐中部繼續(xù)燃燒；另一部分RDF由于離心力的作用，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中碰撞到渦流室的內(nèi)壁，隨著旋切貼壁的生料粉一起沿著渦流室的內(nèi)壁下滑到分解爐下縮口，在下縮口高速窯氣的噴騰作用下，這部分RDF和生料再次進(jìn)入渦流室的旋噴流場(chǎng)中繼續(xù)完成燃燒。

圖3　大替代比RDF分解爐的結(jié)構(gòu)圖

入爐生料分為三層進(jìn)入分解爐，從低到高依次為渦流室頂部、分解爐主爐體的底部以及中部。通過(guò)梯度喂入生料調(diào)控分解爐的軸向溫度場(chǎng)，在渦流室內(nèi)形成可控高溫區(qū)，調(diào)控渦流室內(nèi)RDF、煤粉的燃燒速率及生料的分解速率，提高NOx的消減效率，在分解爐主爐內(nèi)可保證形成均勻穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。

利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)大替代比RDF分解爐內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析，輕質(zhì)RDF、小尺寸重質(zhì)RDF、大尺寸重質(zhì)RDF呈現(xiàn)出不同的耦合燃燒方式。

4.1　輕質(zhì)RDF的燃燒

渦流室中上部及分解爐底部為輕質(zhì)高熱值RDF、助燃空氣、煤粉以及生料的耦合燃燒分解區(qū)。部分煤粉與輕質(zhì)高熱值RDF一起喂入渦流室頂部，這部分煤粉與RDF進(jìn)入渦流室后隨著三次風(fēng)高速旋轉(zhuǎn)并開(kāi)始燃燒。輕質(zhì)RDF由于水分含量高、粒度大，烘干預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，著火前吸熱量大而降低渦流室中上部溫度；而煤粉在高溫三次風(fēng)中能夠快速析出揮發(fā)分開(kāi)始燃燒，可提高該區(qū)域的溫度，最終實(shí)現(xiàn)煤粉與輕質(zhì)RDF形成強(qiáng)化耦合燃燒。同時(shí)在三次風(fēng)入口處引入部分C4生料，生料沿著三次風(fēng)高速旋轉(zhuǎn)在渦流室內(nèi)壁形成料幕保護(hù)渦流室的耐火材料。渦流室徑向上由外到內(nèi)形成濃-稀-濃三相區(qū)，外壁為生料濃相區(qū)，碳酸鹽吸熱分解；中間為三次風(fēng)、煤粉、輕質(zhì)RDF稀相高氧燃燒區(qū)，燃料燃燒放熱；內(nèi)部為窯氣、三次風(fēng)、生料、煤粉、輕質(zhì)RDF高度混合，高粉塵濃度的濃相區(qū)。經(jīng)過(guò)渦流室出口噴騰后，進(jìn)入分解爐底部繼續(xù)完成煤粉與輕質(zhì)RDF的燃燒。輕質(zhì)RDF、煤粉和渦流室生料的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖4、圖5和圖6。

圖4　輕質(zhì)RDF軌跡

圖5　煤粉軌跡

4.2　小尺寸重質(zhì)RDF的燃燒

重質(zhì)高熱值RDF密度大，結(jié)構(gòu)致密，在分解爐中的沉降速度大，燃燒速度慢。重質(zhì)高熱值RDF喂入分解爐后，由于重力遠(yuǎn)大于氣流的阻力與浮力，逐漸加速向下運(yùn)動(dòng)。在向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，RDF顆粒不斷地氣化燃燒，粒度變小，速度增加，加速度減小。隨著RDF顆粒尺寸持續(xù)減小，阻力持續(xù)增大，某一時(shí)刻受力平衡被打破，開(kāi)始逐漸減速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)RDF顆粒的沉降速度小于分解爐內(nèi)上升氣流速度時(shí)，此時(shí)受到的氣流阻力大于有效重力，顆粒具有與氣流運(yùn)動(dòng)方向同向的加速度，最終隨著氣流同向運(yùn)動(dòng)直至燃盡。部分重質(zhì)高熱值RDF尺寸較大，到達(dá)分解爐中部縮口后被高速?lài)婒v氣流沖擊攜帶而二次進(jìn)入分解爐中部燃燒區(qū)，進(jìn)入下一個(gè)燃燒沉降循環(huán)。小尺寸重質(zhì)RDF和主爐體生料的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖7和圖8。

圖6　渦流室生料軌跡

圖7　小尺寸重質(zhì)RDF軌跡

4.3　大尺寸重質(zhì)RDF的燃燒

大尺寸重質(zhì)RDF的沉降高度大，在分解爐內(nèi)燃燒過(guò)程類(lèi)似于小尺寸重質(zhì)RDF，但喂料位置更高，并設(shè)置上部縮口，進(jìn)行多次噴騰保證大尺寸重質(zhì)RDF在分解爐內(nèi)的燃盡，其運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖9。

圖8　主爐體生料軌跡

圖9　大尺寸重質(zhì)RDF軌跡

5.1　性能評(píng)價(jià)

從生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與冷態(tài)模擬分析來(lái)看，大替代比分解爐內(nèi)三噴騰雙旋流懸浮流場(chǎng)氣固混合更加均勻，爐內(nèi)固體和氣體的停留時(shí)間比Kt高達(dá)6.3，遠(yuǎn)大于普通分解爐，并且預(yù)熱器C1出口的CO濃度不到0.05%，對(duì)替代燃料的高效燃燒具備更好的適應(yīng)性，見(jiàn)表3。

5.2　應(yīng)用實(shí)踐

華新黃石工廠水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)窯尾采用大替代比分解爐，經(jīng)過(guò)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)標(biāo)定，在熟料生產(chǎn)能力為12?000 t/d的情況下，RDF實(shí)際使用量達(dá)到2?094 t/d，分解爐的熱替代率為80%，全窯系統(tǒng)的熱替代率達(dá)38.9%，熟料綜合能耗67 kgce/t，單位熟料碳排放683.2 kg/t，NOx排放降至249 mg/Nm3（未用SNCR和SCR）。

（1）與煤比較，RDF作為水泥窯用替代燃料具有揮發(fā)分含量高、著火溫度低、能夠穩(wěn)定燃燒等優(yōu)良特性，但是由于粒度大、孔隙表面積小將導(dǎo)致其燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，難以完全燃盡。

（2）基于分解爐內(nèi)物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)的耦合模型，大替代比分解爐采用了多點(diǎn)喂料和梯度燃燒系統(tǒng)，可保證RDF在爐內(nèi)高效燃燒。

（3）大替代比分解爐對(duì)多元異質(zhì)替代燃料具有優(yōu)良的適應(yīng)性，能夠大幅提升替代燃料在水泥窯的使用量，降低單位熟料能耗和碳排放。