摘要

目前国内可供水泥窑大规模使用的替代燃料主要是由生活垃圾经过破碎、筛分和干化等预处理工艺后制备的衍生燃料（以下简称RDF），虽然具有一定的热值，但是仍然存在粒度大、水分高、灰分高、均匀性差等特性，与煤炭差异较大，投加到水泥窑的气固多相环境中仍然存在燃烧不稳定、燃尽率低、系统工况波动大等问题，严重制约了RDF在水泥窑的运用。为此，本文系统地进行了RDF燃烧特性和燃烧动力学分析，在此开发了水泥窑大比例使用替代燃料的新型分解炉，成功解决了非化石燃料在水泥窑分解炉内大替代比使用的关键难题。

1.1　RDF的工业分析

水泥窑使用的RDF及煤粉工业分析结果见表1。由表1可以看出，RDF挥发分含量很高，灰分大，固定碳含量低，其热量主要来源于挥发性物质。而煤粉的挥发分低，固定碳含量高，因此煤粉颗粒中焦炭的燃烧速度是决定其能否燃尽的主要因素。

表1　RDF与煤的工业分析

1.2　RDF的表面孔隙结构

RDF颗粒的比表面积在1 m2/g以下，远远小于煤粉，而平均孔径大于煤粉，说明RDF颗粒内外部孔隙远没有煤粉的丰富，特别是小孔与微孔的数量均少于煤粉。在化学反应速度控制的反应体系中，比表面积对燃料的反应性有决定性的影响，比表面积越大，孔隙越丰富，与氧气的接触面也越大，燃烧反应越强烈，燃烧就越完全，因此在同等情况下RDF比煤粉更难燃尽。RDF与煤粉颗粒的表面孔隙结构参数见表2。

表2　RDF与煤粉颗粒的表面孔隙结构参数

1.3　RDF的着火特性

RDF与煤粉的着火温度见图1。从图1可以看出，与煤粉对比，RDF的着火温度较低（约260 ℃），表明RDF能够较早地开始着火燃烧。RDF和煤粉燃烧着火稳定性判别指数见图2，三种RDF的可燃性判别指数C均值为7.29，稳燃判别指数M均值为5.94，通过对比各种燃料的可燃指数和稳燃指数可以看出，RDF属于极易稳定区。并且与煤粉相比，RDF的可燃性以及后续燃烧稳定性都优于煤粉。

图1　RDF与煤粉的着火温度

图2　RDF与煤粉的着火稳定判别指数

RDF颗粒投入分解炉内后，随着温度的升高挥发分析出，其成分也随之变化，意味着RDF热解阶段活化能E和频率因子K在不同的温度下是不同的，因此E和K应是RDF颗粒温度Tp的函数，即E（或K）=f（Tp）。在给定的温度下，RDF颗粒可能有几种挥发分同时释放出来，因此在整个挥发过程的每一时刻，存在一个平均的E和K值，即E（或K）=f1（Tp）。实际上对RDF颗粒来讲Tp是未知的，因此很难给出特定的表达式，现为了简化计算，用RDF颗粒的终温T∞代替Tp，用等值的E和K来代替RDF在整个热解过程中的动力学参数，根据质量作用定律就得到了E（或K）=F（T∞）的关系。

（1）RDF颗粒热解动力学方程：

式中：

V——挥发出的质量百分比；

R——理想气体常数；

T——热力学温度；

E、K——分别为给定温度T∞下的等值活化能和等值频率因子，E和K值仅与RDF颗粒的终温和挥发速率有关；

V∞——在某一温度下，反应时间t→∞时挥发分析出的最终含量，由实验确定。

（2）RDF颗粒的能量方程：

式中：

ρc——RDF的密度；

Cpc——对应温度下的比热；

r——RDF颗粒的半径；

qv——热解潜热；

Vp——RDF颗粒体积；

Gv——RDF颗粒单位体积的挥发分释放速率。

由于RDF颗粒的孔隙率在热解过程中不断增加，因此其导热系数将减小，并趋近于气体的导热系数。为了简化，假定λ=λ（T∞）和Cpc=Cpc（T∞），代表RDF颗粒热解过程中的平均导热系数和平均比热。根据量级分析，方程（2）中的某些项比其他项要小得多，可以忽略，故该式可简化为：

其边界条件为：

初始条件为：

（3）RDF颗粒的质量方程：

联立求解方程（1）、（3）、（4），即可得到RDF颗粒挥发分析出的质量百分比与时间的方程V=V（t）。

RDF中固定碳的含量很少，热值主要来自挥发分。RDF颗粒裂解气化释放出小分子可燃质挥发分，与分解炉内的氧气能够进行快速的均相燃烧反应，因此其燃烧速度主要取决于气化裂解速度。

RDF颗粒喂入分解炉时具有一定的初始速度和运动方向，在自身重力、气体浮力以及流动气体阻力的综合作用下运动。同时颗粒在高温烟气中不断地裂解气化和燃烧，其粒度尺寸不断减小直至燃尽。颗粒在气流中的速度方程如下式：

式中：

m——颗粒的质量；

u——颗粒在气流中的相对速度；

V——颗粒的体积；

Ps——颗粒密度；

Pg——气流密度；

Φ——形状系数；

D——颗粒直径；

C——阻力系数。

根据RDF的燃烧模型，可知其粒度直径与时间的关系D=D（t）。联立上述方程积分求解，可得RDF颗粒在分解炉内的速度方程u=u（t），对速度方程继续积分可得RDF颗粒在分解炉内的运动轨迹方程S=S（t）。S（t）由下式给出：

初始喂入分解炉的RDF颗粒粒度较大，此时重力大于气体阻力，颗粒向下加速与气流逆向运动。在下落的过程中，由于颗粒自身不断地裂解气化与燃烧，粒度变小，单位质量颗粒受到的气体阻力不断增大，当颗粒受到单位质量的气体阻力开始大于剩余重力，颗粒开始减速下落，当颗粒进一步缩小到某一粒度时，最后颗粒跟随气流做同向运动。

由于RDF颗粒粒度较大，而分解炉的柱体风速一般在8~10 m/s左右，因此部分大颗粒的RDF未在分解炉里充分燃烧就直接短路落入窑内，造成窑内还原气氛及结皮。为保证RDF颗粒的充分燃烧，在分解炉的高度方向上设计多层喷腾缩口，通过气流高速喷腾的冲击，让粗颗粒RDF不断地在分解炉内翻腾返混，从而延长颗粒在炉内的停留时间，增加气固两相的混合效果，保证其完全燃烧。

RDF颗粒在初始速度矢量和分解炉内气流的双重作用下，在分解炉内并非沿着铅垂面进行简单的上下运动，为研究RDF颗粒在分解炉高度上的变化量H，对轨迹方程在垂直方向Z轴上的分量进行求解。H由下式给出：

对于多尺寸粒度组成的RDF颗粒群组，其在高度上的运动方程可写为H=SZ（ρ，D，t），即颗粒群组在分解炉内的运动高度范围与各颗粒密度、尺寸也有关系。因此根据煤粉及不同粒度RDF之间的耦合燃烧，以及分解炉内氧气浓度的纵向分布，提出煤粉、异质RDF及生料的多点分区喂料，实现煤粉、异质RDF的高效梯度燃烧。

由于分选后RDF的燃烧特性存在差异，大替代比RDF分解炉采用全新设计理念：（1）三次风双旋切进入涡流室；（2）三喷腾设计；（3）异质RDF、生料与煤粉的多点分区喂料；（4）RDF与煤粉在底部的气化脱氮，具体结构见图3。

两股三次风同旋向旋切进入分解炉底部涡流室，可增强三次风的旋转动量，形成的涡旋气流强化了分解炉径向上气固两相的混合效果，提高了分解炉的有效炉容利用率。在RDF喂入涡流室的起始阶段，团聚状态的RDF在重力作用下进入三次风中，随即被高温高速旋转的三次风打散与加速，一部分RDF随着三次风旋转进行预热、气化与燃烧，伴随尺寸不断减小，最后随着三次风经过分解炉的中部缩口喷腾后进入分解炉中部继续燃烧；另一部分RDF由于离心力的作用，在旋转过程中碰撞到涡流室的内壁，随着旋切贴壁的生料粉一起沿着涡流室的内壁下滑到分解炉下缩口，在下缩口高速窑气的喷腾作用下，这部分RDF和生料再次进入涡流室的旋喷流场中继续完成燃烧。

图3　大替代比RDF分解炉的结构图

入炉生料分为三层进入分解炉，从低到高依次为涡流室顶部、分解炉主炉体的底部以及中部。通过梯度喂入生料调控分解炉的轴向温度场，在涡流室内形成可控高温区，调控涡流室内RDF、煤粉的燃烧速率及生料的分解速率，提高NOx的消减效率，在分解炉主炉内可保证形成均匀稳定的温度场。

利用CFD数值模拟技术对大替代比RDF分解炉内的流场进行分析，轻质RDF、小尺寸重质RDF、大尺寸重质RDF呈现出不同的耦合燃烧方式。

4.1　轻质RDF的燃烧

涡流室中上部及分解炉底部为轻质高热值RDF、助燃空气、煤粉以及生料的耦合燃烧分解区。部分煤粉与轻质高热值RDF一起喂入涡流室顶部，这部分煤粉与RDF进入涡流室后随着三次风高速旋转并开始燃烧。轻质RDF由于水分含量高、粒度大，烘干预热时间长，着火前吸热量大而降低涡流室中上部温度；而煤粉在高温三次风中能够快速析出挥发分开始燃烧，可提高该区域的温度，最终实现煤粉与轻质RDF形成强化耦合燃烧。同时在三次风入口处引入部分C4生料，生料沿着三次风高速旋转在涡流室内壁形成料幕保护涡流室的耐火材料。涡流室径向上由外到内形成浓-稀-浓三相区，外壁为生料浓相区，碳酸盐吸热分解；中间为三次风、煤粉、轻质RDF稀相高氧燃烧区，燃料燃烧放热；内部为窑气、三次风、生料、煤粉、轻质RDF高度混合，高粉尘浓度的浓相区。经过涡流室出口喷腾后，进入分解炉底部继续完成煤粉与轻质RDF的燃烧。轻质RDF、煤粉和涡流室生料的运动轨迹见图4、图5和图6。

图4　轻质RDF轨迹

图5　煤粉轨迹

4.2　小尺寸重质RDF的燃烧

重质高热值RDF密度大，结构致密，在分解炉中的沉降速度大，燃烧速度慢。重质高热值RDF喂入分解炉后，由于重力远大于气流的阻力与浮力，逐渐加速向下运动。在向下运动的过程中，RDF颗粒不断地气化燃烧，粒度变小，速度增加，加速度减小。随着RDF颗粒尺寸持续减小，阻力持续增大，某一时刻受力平衡被打破，开始逐渐减速运动。当RDF颗粒的沉降速度小于分解炉内上升气流速度时，此时受到的气流阻力大于有效重力，颗粒具有与气流运动方向同向的加速度，最终随着气流同向运动直至燃尽。部分重质高热值RDF尺寸较大，到达分解炉中部缩口后被高速喷腾气流冲击携带而二次进入分解炉中部燃烧区，进入下一个燃烧沉降循环。小尺寸重质RDF和主炉体生料的运动轨迹见图7和图8。

图6　涡流室生料轨迹

图7　小尺寸重质RDF轨迹

4.3　大尺寸重质RDF的燃烧

大尺寸重质RDF的沉降高度大，在分解炉内燃烧过程类似于小尺寸重质RDF，但喂料位置更高，并设置上部缩口，进行多次喷腾保证大尺寸重质RDF在分解炉内的燃尽，其运动轨迹见图9。

图8　主炉体生料轨迹

图9　大尺寸重质RDF轨迹

5.1　性能评价

从生产实践经验与冷态模拟分析来看，大替代比分解炉内三喷腾双旋流悬浮流场气固混合更加均匀，炉内固体和气体的停留时间比Kt高达6.3，远大于普通分解炉，并且预热器C1出口的CO浓度不到0.05%，对替代燃料的高效燃烧具备更好的适应性，见表3。

5.2　应用实践

华新黄石工厂水泥熟料生产线窑尾采用大替代比分解炉，经过第三方权威机构标定，在熟料生产能力为12 000 t/d的情况下，RDF实际使用量达到2 094 t/d，分解炉的热替代率为80%，全窑系统的热替代率达38.9%，熟料综合能耗67 kgce/t，单位熟料碳排放683.2 kg/t，NOx排放降至249 mg/Nm3（未用SNCR和SCR）。

（1）与煤比较，RDF作为水泥窑用替代燃料具有挥发分含量高、着火温度低、能够稳定燃烧等优良特性，但是由于粒度大、孔隙表面积小将导致其燃烧持续时间长，难以完全燃尽。

（2）基于分解炉内物理场和化学场的耦合模型，大替代比分解炉采用了多点喂料和梯度燃烧系统，可保证RDF在炉内高效燃烧。

（3）大替代比分解炉对多元异质替代燃料具有优良的适应性，能够大幅提升替代燃料在水泥窑的使用量，降低单位熟料能耗和碳排放。