我国水泥行业产量大,能耗高,污染物排放高,已成为我国继电力和交通行业之后的第三大NOx排放源。水泥工业低NOx排放控制技术是保证其可持续发展的重要前提,但随着环保压力的不断增大,现有技术已难以满足日益严苛的NOx排放标准。针对现有脱硝技术面临的瓶颈难题,中国科学院工程热物理研究所循环流化床实验室团队提出了适用于燃煤水泥窑炉的原位还原脱硝技术。该技术通过煤粉的预处理过程产生包含煤气和半焦的高温预热燃料,并将高温预热燃料送入分解炉,使其在空气分级条件下进行燃烧,同时对窑气中的NO进行还原。该技术的可行性和有效性已经得到试验验证,但相关研究主要聚焦于前端煤粉预处理过程对NOx排放的影响,而对高温预热燃料在后端分解炉内的燃烧特性及相关因素对窑气NO还原特性的影响规律研究不足。为此,本文以试验装置中的分解炉为研究对象,采用CFD方法对高温预热燃料燃烧耦合窑气NO还原过程进行数值研究,以期揭示相关因素的影响规律,为原位还原脱硝技术的工程应用及优化设计奠定理论基础。本文采用RNG k-ε模型计算炉内气相湍流,采用DPM模型计算炉内离散相颗粒运动轨迹,采用有限速率/涡耗散模型计算燃料燃烧与生料分解过程,采用P-1模型计算炉内辐射换热;对于燃料燃烧过程中挥发分析出、燃烧及焦碳颗粒燃尽过程,分别采用两步竞争速率模型和多表面反应模型进行计算,待完成燃烧计算后,采用后处理的方式对炉内NOx的生成与还原进行计算。通过对比分解炉沿程温度分布和NOx排放的模拟与试验数据,上述模型的可靠性和准确性得到验证。在此基础上,本文首先对比分析了煤粉与高温预热燃料在分解炉内燃烧过程的异同。由于特殊的分解炉结构,两种燃料燃烧过程中,炉内流场均呈现出内部核心区流体速度大且旋流趋势弱、靠近壁面环形区域气流速度小且旋流趋势强的结构。相对煤粉,高温预热燃料燃烧时分解炉下段旋流趋势更明显,半焦颗粒运动轨迹更集中且更靠近壁面,同时分解炉下段高温区域范围较大,O2浓度较低且呈局部小区域分散式分布,CO浓度较高且靠近壁面的局部分布区域范围较大。相对煤粉,高温预热燃料燃烧过程产生的NOx浓度降低了 83.6%,窑气中NO的还原率相对提高了 22%。本文接着在不考虑生料的条件下探究了窑气NO初始浓度、窑气O2含量、空气分级方案、三次风1位置及过量空气系数等因素对分解炉内高温预热燃料燃烧耦合窑气NO还原过程的影响。结果显示,分解炉NOx排放浓度随窑气NO初始浓度线性增加,而NO的还原率基本不变。当窑气O2含量超过4%时,其对NO还原的抑制作用增强,超过5%时,其对NOx生成的促进作用增强。空气分级在分解炉内建立的还原区较大时才能够有显著的减排效果,在还原区大小以及还原区位置相同的情况下,氧化区采用空气分级也可以抑制NOx的产生,促进NO的还原。四级空气分级方案条件下,三次风1入口位置位于高温预热燃料上方有助于减少NOx生成,促进NO的还原,当三次风1无量纲位置Y*TA-I-=0.6时,NOx排放浓度最低,为31.19 mg/m3,NO的还原率最高,为97.14%;在此基础上,三次风1空气过量系数较大时,由三次风1速度变化引起的炉内流场、组分浓度分布的改变,可对NO还原起到更为显著的促进作用。进一步,在生料存在条件下,探究了生料分解和投入位置对高温预热燃料燃烧耦合窑气NO还原过程的影响。结果表明,当生料入口位置YCRM=0 m时,生料的加入可使高温预热燃料燃烧过程产生的NOx浓度降低26.91%,使NO的还原率相对提高4.0%。随着生料入口位置在Y=-0.6 m～0.6 m范围内上移,分解炉NOx排放浓度及生料分解率逐渐降低,而NO的还原率逐渐增大,当生料入口无量纲位置Y*CRM=1.6时,可同时保证较低的氮氧化物排放浓度及较高的生料分解率,此时分解炉NOx排放浓度为31.18 mg/m3,生料的分解率为92.63%。最后,本文以2500t/d实际分解炉为例,对比了采用原位还原脱硝技术及两级空气分级方案前后,分解炉氮氧化物排放水平、生料分解率及燃料燃尽率的变化,发现在不喷氨前提下,原位还原脱硝技术可以使分解炉NOx排放浓度降低66.59%,在此基础上,采用两级空气分级方案可使分解炉NOx排放浓度基本达到水泥工业NOx超低排放水平,但生料分解率和燃料燃尽率均有所降低。