摘 要

多年来，我国水泥生产及消费量一直高居世界首位。随着大型水泥预分解窑的广泛应用，由水泥窑排放的氮氧化物已成为大气NO_x的第三大来源^[1]。水泥工业废气NO_x的排放污染已经成为生态环保突出的问题。本文针对回转窑产生的NO_x，利用商业软件FLUENT建模模拟，对设计工况下水泥生产过程中NO_x的生成进行了模拟，研究了窑内气相流场分布、温度场分布、氧气摩尔分数分布、一氧化碳摩尔分数分布图、二氧化碳摩尔分数分布图以及热力型、燃料型、总的NO_x摩尔分数分布图分布，为控制回转窑内的氮氧化物提供理论依据。

关键字：回转窑、NO_x、数值模拟、燃烧器。

Numerical simulation of nitrogen oxides in cement rotary kiln

Abstract

Over the years, China's cement production and consumption has consistently ranked first in the world. With the wide application of large cement precalcining kiln, nitrogen oxides produced by cement kilns have become the third largest source of atmospheric NO_x. The emission pollution of NO_x in cement industry has become a prominent problem in ecological environment protection^[2]. The NO_x produced in the rotary kiln accounts for about 30% of the total amount of nitride produced in the cement production process. In this paper, the NO_x generated by rotary kiln is simulated by commercial software FLUENT. The generation of NO_x in cement production process under design conditions is simulated. The gas field flow field distribution, temperature field distribution, oxygen mole fraction distribution, The carbon monoxide mole fraction distribution map, carbon dioxide mole fraction distribution map, and thermal, fuel type, and total NO_x mole fraction distribution maps provide a theoretical basis for controlling nitrogen oxides in the rotary kiln.

Keywords: rotary kiln, NO_x,Numerical simulation, burner.

目 录

第一章 绪 论 1

1.1水泥产业现状。 1

1.2回转窑简介 2

1.3NOx生成与控制方法 5

第二章 数学模型和数值算法 7

2.1基本控制方程 7

2.2湍流模型 9

2.3化学反应模型 10

2.4辐射模型 10

2.5煤粉燃烧模型 10

2.6 NO生成模型 11

第三章 几何建模 13

3.1模型假设 13

3.2CFD建模 14

第四章 模拟结果与分析 18

4.1速度场 18

4.2温度场 20

4.3气体场 22

第五章 总结与展望 28

5.1总结 28

5.2展望 28

参考文献 30

1. 绪 论

1.1水泥产业现状。

水泥是当今世界各国使用的重要基础原材料，因其使用方便、环境亲和性好及其多项优良指标，至今仍广泛应用于基础建设、交通等各个行业，是不可替代的工业原料^[3]。

多年来，我国的水泥生产及消费量高居世界首位。由于大型水泥预分解窑的广泛应用，水泥窑生产的氮氧化物等已成为大气NO_x的第三大来源^[1]。水泥工业废气NO_x的排放污染已经成为生态环保突出的问题^[4-6]。图1-1为2006-2018水泥工业废气NO_x的排放统计图，从图中可以看出2006-2011年NO_x排放量逐年增长，2011-2018年NO_x排放量逐年下降^[7]。

图1-1 2006-2018水泥工业废气NOx的排放

图1-2 2014年我国各行业NO_x排放比例

2012年全国有多达1500多条的水泥新型干法生产线，年产量达20.63亿吨，同比增长16.1%，在世界各国水泥产量排名中位居首位^{[7, 8]}。

。

图1-3 2001-2018年我国水泥年产量

但是，我国水泥工业还面临着结构性矛盾突出、经营粗放、低生产集中度和低劳动生产率、高能耗、重污染等突出问题。国家统计局资料显示出：十年来，我国每年能源消耗平均增长11.43%，超过年均GDP增长速度^{[7, 8]}

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