摘要

目前國內可供水泥窯大規模使用的替代燃料主要是由生活垃圾經過破碎、篩分和干化等預處理工藝后制備的衍生燃料（以下簡稱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境中仍然存在燃燒不穩定、燃盡率低、系統工況波動大等問題，嚴重制約了RDF在水泥窯的運用。為此，本文系統地進行了RDF燃燒特性和燃燒動力學分析，在此開發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大替代比使用的關鍵難題。

1.1　RDF的工業分析

水泥窯使用的RDF及煤粉工業分析結果見表1。由表1可以看出，RDF揮發分含量很高，灰分大，固定碳含量低，其熱量主要來源于揮發性物質。而煤粉的揮發分低，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與煤的工業分析

1.2　RDF的表面孔隙結構

RDF顆粒的比表面積在1 m2/g以下，遠遠小于煤粉，而平均孔徑大于煤粉，說明RDF顆粒內外部孔隙遠沒有煤粉的豐富，特別是小孔與微孔的數量均少于煤粉。在化學反應速度控制的反應體系中，比表面積對燃料的反應性有決定性的影響，比表面積越大，孔隙越豐富，與氧氣的接觸面也越大，燃燒反應越強烈，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構參數見表2。

表2　RDF與煤粉顆粒的表面孔隙結構參數

1.3　RDF的著火特性

RDF與煤粉的著火溫度見圖1。從圖1可以看出，與煤粉對比，RDF的著火溫度較低（約260 ℃），表明RDF能夠較早地開始著火燃燒。RDF和煤粉燃燒著火穩定性判別指數見圖2，三種RDF的可燃性判別指數C均值為7.29，穩燃判別指數M均值為5.94，通過對比各種燃料的可燃指數和穩燃指數可以看出，RDF屬于極易穩定區。并且與煤粉相比，RDF的可燃性以及后續燃燒穩定性都優于煤粉。

圖1　RDF與煤粉的著火溫度

圖2　RDF與煤粉的著火穩定判別指數

RDF顆粒投入分解爐內后，隨著溫度的升高揮發分析出，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應是RDF顆粒溫度Tp的函數，即E（或K）=f（Tp）。在給定的溫度下，RDF顆?？赡苡袔追N揮發分同時釋放出來，因此在整個揮發過程的每一時刻，存在一個平均的E和K值，即E（或K）=f1（Tp）。實際上對RDF顆粒來講Tp是未知的，因此很難給出特定的表達式，現為了簡化計算，用RDF顆粒的終溫T∞代替Tp，用等值的E和K來代替RDF在整個熱解過程中的動力學參數，根據質量作用定律就得到了E（或K）=F（T∞）的關系。

（1）RDF顆粒熱解動力學方程：

式中：

V——揮發出的質量百分比；

R——理想氣體常數；

T——熱力學溫度；

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顆粒的終溫和揮發速率有關；

V∞——在某一溫度下，反應時間t→∞時揮發分析出的最終含量，由實驗確定。

（2）RDF顆粒的能量方程：

式中：

ρc——RDF的密度；

Cpc——對應溫度下的比熱；

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分釋放速率。

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

其邊界條件為：

初始條件為：

（3）RDF顆粒的質量方程：

聯立求解方程（1）、（3）、（4），即可得到RDF顆粒揮發分析出的質量百分比與時間的方程V=V（t）。

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

RDF顆粒喂入分解爐時具有一定的初始速度和運動方向，在自身重力、氣體浮力以及流動氣體阻力的綜合作用下運動。同時顆粒在高溫煙氣中不斷地裂解氣化和燃燒，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——顆粒的質量；

u——顆粒在氣流中的相對速度；

V——顆粒的體積；

Ps——顆粒密度；

Pg——氣流密度；

Φ——形狀系數；

D——顆粒直徑；

C——阻力系數。

根據RDF的燃燒模型，可知其粒度直徑與時間的關系D=D（t）。聯立上述方程積分求解，可得RDF顆粒在分解爐內的速度方程u=u（t），對速度方程繼續積分可得RDF顆粒在分解爐內的運動軌跡方程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，此時重力大于氣體阻力，顆粒向下加速與氣流逆向運動。在下落的過程中，由于顆粒自身不斷地裂解氣化與燃燒，粒度變小，單位質量顆粒受到的氣體阻力不斷增大，當顆粒受到單位質量的氣體阻力開始大于剩余重力，顆粒開始減速下落，當顆粒進一步縮小到某一粒度時，最后顆粒跟隨氣流做同向運動。

由于RDF顆粒粒度較大，而分解爐的柱體風速一般在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，造成窯內還原氣氛及結皮。為保證RDF顆粒的充分燃燒，在分解爐的高度方向上設計多層噴騰縮口，通過氣流高速噴騰的沖擊，讓粗顆粒RDF不斷地在分解爐內翻騰返混，從而延長顆粒在爐內的停留時間，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氣流的雙重作用下，在分解爐內并非沿著鉛垂面進行簡單的上下運動，為研究RDF顆粒在分解爐高度上的變化量H，對軌跡方程在垂直方向Z軸上的分量進行求解。H由下式給出：

對于多尺寸粒度組成的RDF顆粒群組，其在高度上的運動方程可寫為H=SZ（ρ，D，t），即顆粒群組在分解爐內的運動高度范圍與各顆粒密度、尺寸也有關系。因此根據煤粉及不同粒度RDF之間的耦合燃燒，以及分解爐內氧氣濃度的縱向分布，提出煤粉、異質RDF及生料的多點分區喂料，實現煤粉、異質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分解爐采用全新設計理念：（1）三次風雙旋切進入渦流室；（2）三噴騰設計；（3）異質RDF、生料與煤粉的多點分區喂料；（4）RDF與煤粉在底部的氣化脫氮，具體結構見圖3。

兩股三次風同旋向旋切進入分解爐底部渦流室，可增強三次風的旋轉動量，形成的渦旋氣流強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，團聚狀態的RDF在重力作用下進入三次風中，隨即被高溫高速旋轉的三次風打散與加速，一部分RDF隨著三次風旋轉進行預熱、氣化與燃燒，伴隨尺寸不斷減小，最后隨著三次風經過分解爐的中部縮口噴騰后進入分解爐中部繼續燃燒；另一部分RDF由于離心力的作用，在旋轉過程中碰撞到渦流室的內壁，隨著旋切貼壁的生料粉一起沿著渦流室的內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和生料再次進入渦流室的旋噴流場中繼續完成燃燒。

圖3　大替代比RDF分解爐的結構圖

入爐生料分為三層進入分解爐，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。通過梯度喂入生料調控分解爐的軸向溫度場，在渦流室內形成可控高溫區，調控渦流室內RDF、煤粉的燃燒速率及生料的分解速率，提高NOx的消減效率，在分解爐主爐內可保證形成均勻穩定的溫度場。

利用CFD數值模擬技術對大替代比RDF分解爐內的流場進行分析，輕質RDF、小尺寸重質RDF、大尺寸重質RDF呈現出不同的耦合燃燒方式。

4.1　輕質RDF的燃燒

渦流室中上部及分解爐底部為輕質高熱值RDF、助燃空氣、煤粉以及生料的耦合燃燒分解區。部分煤粉與輕質高熱值RDF一起喂入渦流室頂部，這部分煤粉與RDF進入渦流室后隨著三次風高速旋轉并開始燃燒。輕質RDF由于水分含量高、粒度大，烘干預熱時間長，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中能夠快速析出揮發分開始燃燒，可提高該區域的溫度，最終實現煤粉與輕質RDF形成強化耦合燃燒。同時在三次風入口處引入部分C4生料，生料沿著三次風高速旋轉在渦流室內壁形成料幕保護渦流室的耐火材料。渦流室徑向上由外到內形成濃-稀-濃三相區，外壁為生料濃相區，碳酸鹽吸熱分解；中間為三次風、煤粉、輕質RDF稀相高氧燃燒區，燃料燃燒放熱；內部為窯氣、三次風、生料、煤粉、輕質RDF高度混合，高粉塵濃度的濃相區。經過渦流室出口噴騰后，進入分解爐底部繼續完成煤粉與輕質RDF的燃燒。輕質RDF、煤粉和渦流室生料的運動軌跡見圖4、圖5和圖6。

圖4　輕質RDF軌跡

圖5　煤粉軌跡

4.2　小尺寸重質RDF的燃燒

重質高熱值RDF密度大，結構致密，在分解爐中的沉降速度大，燃燒速度慢。重質高熱值RDF喂入分解爐后，由于重力遠大于氣流的阻力與浮力，逐漸加速向下運動。在向下運動的過程中，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顆粒尺寸持續減小，阻力持續增大，某一時刻受力平衡被打破，開始逐漸減速運動。當RDF顆粒的沉降速度小于分解爐內上升氣流速度時，此時受到的氣流阻力大于有效重力，顆粒具有與氣流運動方向同向的加速度，最終隨著氣流同向運動直至燃盡。部分重質高熱值RDF尺寸較大，到達分解爐中部縮口后被高速噴騰氣流沖擊攜帶而二次進入分解爐中部燃燒區，進入下一個燃燒沉降循環。小尺寸重質RDF和主爐體生料的運動軌跡見圖7和圖8。

圖6　渦流室生料軌跡

圖7　小尺寸重質RDF軌跡

4.3　大尺寸重質RDF的燃燒

大尺寸重質RDF的沉降高度大，在分解爐內燃燒過程類似于小尺寸重質RDF，但喂料位置更高，并設置上部縮口，進行多次噴騰保證大尺寸重質RDF在分解爐內的燃盡，其運動軌跡見圖9。

圖8　主爐體生料軌跡

圖9　大尺寸重質RDF軌跡

5.1　性能評價

從生產實踐經驗與冷態模擬分析來看，大替代比分解爐內三噴騰雙旋流懸浮流場氣固混合更加均勻，爐內固體和氣體的停留時間比Kt高達6.3，遠大于普通分解爐，并且預熱器C1出口的CO濃度不到0.05%，對替代燃料的高效燃燒具備更好的適應性，見表3。

5.2　應用實踐

華新黃石工廠水泥熟料生產線窯尾采用大替代比分解爐，經過第三方權威機構標定，在熟料生產能力為12?000 t/d的情況下，RDF實際使用量達到2?094 t/d，分解爐的熱替代率為80%，全窯系統的熱替代率達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分含量高、著火溫度低、能夠穩定燃燒等優良特性，但是由于粒度大、孔隙表面積小將導致其燃燒持續時間長，難以完全燃盡。

（2）基于分解爐內物理場和化學場的耦合模型，大替代比分解爐采用了多點喂料和梯度燃燒系統，可保證RDF在爐內高效燃燒。

（3）大替代比分解爐對多元異質替代燃料具有優良的適應性，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。