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本文在引入高温烟气的模拟分解炉内进行空气分级燃烧试验，探索配风位置、配风比例以及石灰石/煤比例对分解炉内燃烧和NOx排放特性的影响规律。

作者

朱书骏1,2，朱建国1,3

作者单位

1. 中国科学院 工程热物理研究所

2. 中国科学院 力学研究所 高温气体动力学国家重点实验室

3. 中国科学院大学

摘要

随着我国经济的飞速发展，作为重要基础材料的水泥产品需求量极大且趋于稳定。水泥生产过程中的NO x 排放与燃煤火电厂和汽车尾气产生的NO x 排放已成为空气污染的主要来源，而分解炉是降低水泥生产工艺中NO x 排放的有效设备。笔者在引入高温烟气的模拟分解炉内进行空气分级燃烧试验，研究配风位置、配风比例以及石灰石/煤比例对分解炉内燃烧和NO x 排放特性的影响规律。试验稳定过程中，高温烟气发生装置的给煤量和配风量保持不变。此时，高温烟气发生装置的时间平均温度为911 ℃，其产生的高温烟气温度稳定在750 ℃左右，高温烟气中NO x 主要以NO和N 2 O的形式存在，其浓度分别为261.49×10 -6 和12.96×10 -6 。该股高温烟气将模拟实际回转窑产生的烟气进入分解炉内。在分解炉的上部区域(距离顶部0～2 000 mm区域)的温度为800～1 000 ℃，与实际分解炉运行温度一致，排放烟气中NO x 主要以NO和N 2 O形式存在。随着中间配风位置的下移，煤粉燃烧放热区域下移，而顶部区域的石灰石吸热量变化较小，则原有热量平衡被打破且原有吸热量高于现有放热量，导致顶部区域内燃烧温度降低。此时，还原气氛中煤粉燃烧和石灰石分解反应时间均变长，导致NO x 的还原反应更加充分。但石灰石分解产生的氧化钙(CaO)作为中间产物会促进NO的生成反应，其反应时间增加也促进了NO的生成；另一方面，石灰石作为催化剂参与焦炭和挥发分还原NO的反应过程，分解炉顶部区域的温度下降使得该还原反应变弱。综上，NO的最终排放浓度是以上反应的综合结果。随着配风位置的下移，该变化对NO的生成作用更加明显，故NO的排放浓度逐渐升高。当一级风量与二级风量的配风比例降低时，分解炉上部区域的煤粉燃烧份额减少和石灰石分解量降低，而分解炉下部区域的煤粉燃烧份额增加和未分解的石灰石份额增加，但石灰石的吸热增加量高于燃烧增加份额的放热量，因此分解炉内整体温度均降低。分解炉内NO浓度是由石灰石催化的氧化过程和还原过程综合决定的。一级风量变小时，尾部CO浓度随之增加，烟气中NO浓度呈现降低的趋势。当石灰石/煤比例增加时，分解炉内沿程温度逐渐下降。随着石灰石给粉量增加，分解炉内石灰石受热分解产生的CaO浓度增加，CaO催化NO还原反应更剧烈，从而NO浓度逐渐降低。而石灰石给粉量增加和分解炉温度降低的过程导致尾部的CO浓度升高。

文中插图

图1 系统流程示意

图2 高温烟气发生装置温度分布

图3 高温烟气温度

图4 不同配风位置下分解炉温度分布

图5 不同配风位置下烟气成分浓度分布

图6 不同配风比例下分解炉温度分布

图7 不同配风比例下烟气成分浓度分布

图8 不同石灰石/煤比例下分解炉温度分布

图9 不同石灰石/煤比例下烟气成分浓度分布

结论

1）试验稳定过程中，高温烟气发生装置内温度稳定波动，产生的高温烟气温度稳定在750 ℃左右。高温烟气中NOx主要以NO和N2O形式存在，浓度分别为261.49×10-6和12.96×10-6。高温烟气作为模拟实际回转窑产生的烟气进入分解炉内。

2）随着中间配风位置的下移，分解炉顶部区域的温度下降。同时，NO排放浓度逐渐升高，N2O浓度没有明显变化。

3）当一级风量与二级风量的配风比例逐渐降低时，分解炉内沿程温度整体呈现降低趋势。随着燃烧反应的进行，在分解炉下部区域的燃烧温度差距逐渐缩小。同时，烟气中的NO浓度呈现降低的趋势，N2O浓度的变化很小。随着一级风量的降低，尾部CO的浓度也随之增加，燃烧效果变差。

4）当石灰石/煤比例增加时，分解炉内沿程温度逐渐下降。烟气中NO浓度逐渐下降，而N2O浓度逐渐升高。石灰石给粉量增加和分解炉温度降低的过程也导致尾部的CO浓度升高。

引文格式

朱书骏，朱建国.分解炉空气分级燃烧及NO x 排放特性研究[J].洁净煤技术，2020，26(1):52-58.

ZHU Shujun,ZHU Jianguo.Experimental study on air-staging combustion and NO x emission characteristics in cement precalciner[J].Clean Coal Technology，2020，26(1):52-58.

END

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