随着水泥工业的快速发展,水泥生产过程中煤燃烧产生的氮氧化物已经成为大气NO_x排放的第三大来源。随着环境控制的日趋严格,水泥生产的可持续发展面临极大挑战。分解炉是干法水泥生产系统减排NO_x的关键设备,其中煤分级燃烧技术是目前广受青睐的NO_x减排技术之一。干法水泥生产系统因其具有高温、长流程、微负压和碱性环境等工艺特点,协同处理垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel,简称RDF)已成为世界先进水泥生产技术的重要发展趋势。然而,煤粉与RDF的燃烧特性存在很大差异,当两者共燃时,势必会对分解炉的温度制度及NO_x释放情况带来一定的影响,探明分解炉中煤与RDF共燃时燃料的燃烧特性及NO_x的生成与被还原机理,以期在燃料充分燃烧及生料充分分解的前提下获得良好的NO_x减排效果,成为解决分解炉中煤与RDF共燃协同减排NO_x的关键问题。本文采用实验研究、CFD数值模拟及水泥厂现场试验相结合的手段展开研究。一方面创新设计并搭建双管式炉实验台,模拟分解炉温度环境和氧气浓度氛围,采用燃料高温快速进样的方式开展燃烧实验研究,并结合热重分析仪-红外光谱仪联用(TG-FTIR)、裂解仪-气相色谱仪-质谱仪联用(PY-GC/MS)等现代测试技术研究燃料热解、裂解实验,探讨了煤粉与RDF共燃时燃料的燃烧特性及NO_x释放特点,研究了煤质、环境温度、氧气浓度对NO_x释放的影响规律,获得了减氮效果良好的RDF入炉方式。另一方面,利用CFD数值模拟软件Ansys Fluent突破了对分解炉中多燃料燃烧耦合生料分解及NO_x排放过程的数值模拟技术难题,采用CFD-POST、FieldView、Tecplot等对模拟结果进行综合分析,获悉了分解炉中三种类型NO_x的生成规律及燃料型NO_x的转化特点,并获得了煤粉分级燃烧减排NO_x的优化方案和RDF入炉减氮方案,探明了分解炉中煤与RDF多级燃烧协同减排NO_x的机理,并在实际生产线使用,获得很好应用效果。(1)利用自制的双管式炉平台研究了不同烟煤和无烟煤在不同温度、氧气浓度下的燃烧特点和燃料型NO_x生成情况,结果表明:900℃时烟煤和无烟煤的燃烧情况好、生成的CO少,但是对应的燃料型NO_x的生成量更高;在不同氧气浓度下燃烧时烟煤燃烧过程中NO_x生成量和转化率比对应的无烟煤要低,其中烟煤在氧气浓度为14%、无烟煤在氧气浓度为16%下燃烧时处于NO_x的最佳生成浓度环境,在实际生产中应该避开。借助TG-FTIR和Py-GC/MS发现,烟煤在较低温度下就可以释放出种类更多的碳氢化合物(烷烃、烯烃、芳香烃),有利于对燃料型NO_x还原转化,烟煤燃烧时NO_x的生成量及转化率比无烟煤低。(2)采用CFD数值模拟技术研究了煤粉在分解炉燃烧过程中NO_x的生成情况,结果表明分解炉环境下燃料型NO_x的生成量远高于热力型NO_x和瞬时型NO_x,且自生成的燃料型NO_x能够被炉内的碳氢化合物有效转化。通过对分解炉进行分煤口高度、水平位置、深入长度、分煤量等的优化设计,寻找到了合适的煤粉分级方案并经现场验证取得了还原率为48%的脱硝效果。(3)利用双管式实验平台研究了不同RDF在不同温度、氧气浓度,以及其与烟煤、无烟煤混合燃烧过程中的特点和NO_x生成规律。研究表明,RDF在700℃燃烧时NO_x的浓度最大值和生成总量均很高,实际使用RDF作为替代燃料时应该避开此温度;RDF在氧气浓度为14%下燃烧时NO_x的生成量和转化率都很低;RDF与无烟煤、烟煤混合后其燃烧过程在反应前期(挥发分释放阶段)体现为加和作用,在反应后期(焦炭燃烧阶段)体现为协同促燃作用;烟煤和无烟煤掺混RDF后混合燃料燃烧性能均得到改善,且NO_x的生成总量和转化率均明显降低了。(4)采用CFD数值模拟技术对煤粉与RDF在分解炉内共燃烧耦合生料分解的过程进行数值模拟,基于优化的分级燃烧方案,对RDF的入口位置进行了优化设计,研究表明,当RDF位于涡流室上部、远离三次风口的合适位置时运动路径更长、颗粒分散效果更好、温度制度更加均匀、NO_x的还原效果更好;通过改变RDF的质量替代比例,探索了燃料多级燃烧协同减排NO_x的机制,研究表明RDF替代量为50%时,RDF与煤燃烧之间可形成较好的协同作用机制,有利于与煤共混燃烧形成强化燃烧模式,也有利于形成CO还原气氛,促进NO_x的还原转化。