摘 要

随着我国"一带一路"战略的实施与发展，我国西部经济蓬勃发展，高原建设水泥厂逐年增多，同时也给西部地区的资源环境带来了较大的压力。通过在高原地区推行水泥窑协同处置生活垃圾技术，在节约资源的同时又可以实现高原地区生活垃圾再次利用，对高原地区的垃圾污染问题也有较好的改善。但是高原地区海拔较高，对生活垃圾的燃烧有着巨大的影响，所以研究高原环境下生活垃圾的燃烧特性，对实现高原地区水泥工业的绿色转型有着重要意义。

本论文通过在不同的氧气浓度下进行热重试验来模拟生活垃圾在高原环境下的燃烧过程，根据测定的TG和DTA曲线来研究高原环境下生活垃圾的燃烧特性；同时利用CFD数值模拟技术来研究分解炉内气体固体的流动和混合情况；最后对海拔高度接近2000m的某水泥厂的烧成系统进行热工检测，探究高原环境对水泥窑炉烧成系统的主要设备的影响。

研究结果表明，生活垃圾的热值均可满足水泥窑炉生产的需求。高原环境下，由于氧气浓度降低生活垃圾的燃烧起始温度下降，但燃烬时间增长且伴随着燃烧不充分的现象。

通过对水泥窑内气固二相的运动情况进行模拟，发现窑内气体卷带着煤粉生料颗粒在分解炉内螺旋上升，这样使得运动轨迹增长，更有利于生料燃料混合均匀，也有利于气固二相换热过程的进行。

结合高原水泥厂热工检测结果可知:海拔在2000m以下时，高原环境造成的气压、氧气浓度的变化对预热器影响不大。高原环境对水泥烧成系统的主要影响在于氧气浓度降低对分解炉内燃料燃烧过程的影响。但由于气压变化造成的预热器内综合传热系数的变化对预热器内传热过程影响较小，可忽略不计。

关键词：水泥窑协同处理；数值模拟；生活垃圾；替代燃料；高原

Abstract

Along with the implementation and development of the "one belt and one way" strategy in our country, the Western China's economy is developing vigorously, and the plateau construction cement plant has increased year by year, which has also brought great pressure to the resources and environment in the western region. By implementing the technology of co-disposal of domestic waste with cement kiln in Plateau area, the domestic waste in plateau area can be reused while saving resources, and the problem of waste pollution in plateau area can also be improved. However, the high altitude of plateau area has a great impact on the combustion of domestic waste. Therefore, it is important to study the combustion characteristics of domestic waste in plateau environment for realizing the green transformation of cement industry in Plateau area.

In this paper, the combustion process of MSW in plateau environment was simulated by thermogravimetric test under different oxygen concentration. According to the measured TG and DTA curves, the combustion characteristics of MSW in plateau environment were studied. At the same time, CFD numerical simulation technology was used to study the flow and mixing of gas and solid in the calciner. Finally, the thermal detection of the firing system of a cement plant at an altitude of nearly 2000 meters is carried out to explore the influence of plateau environment on the main equipment of the firing system of cement kiln.

The results show that the calorific value of domestic waste can meet the demand of cement kiln production. In plateau environment, the incipient temperature of municipal solid waste (MSW) combustion decreases due to the decrease of oxygen concentration, but the burnout time increases with the phenomenon of insufficient combustion.

By simulating the movement of gas-solid two-phase in the cement kiln, it is found that the gas coil in the kiln spirally rises with pulverized coal raw meal particles in the decomposition kiln, which makes the trajectory increase, and is more conducive to the uniform mixing of raw meal and fuel, as well as to the gas-solid two-phase heat transfer process.

Combined with the thermal test results of plateau cement plant, it can be seen that the change of air pressure and oxygen concentration caused by plateau environment has little effect on the preheater when the altitude is below 2000 m. The main influence of plateau environment on cement firing system is the influence of oxygen concentration reduction on combustion process of fuel in decomposition furnace. However, the change of the comprehensive heat transfer coefficient in the preheater caused by the change of air pressure has little influence on the heat transfer process in the preheater, which can be neglected.

Key Words：cement kiln cooperative treatment; numerical simulation; domestic waste; alternative fuel; plateau

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 论文研究目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国内外高原环境下生活垃圾燃烧研究现状 2

1.3.2 国内外数值模拟在水泥工业中的应用研究现状 3

1.4 本论文研究目标和内容 4

第2章 实验方法 6

2.1 生活垃圾燃烧特性分析 6

2.2 生活垃圾热重试验 6

2.3 数值模拟 7

2.4 热工检测 10

第3章 高原环境下生活垃圾的燃烧特性研究 11

3.1 生活垃圾物理性质 11

3.2 空气中生活垃圾与煤混合物的燃烧特性 12

3.3 高原环境下生活垃圾与煤混合物的燃烧特性 13

3.4 本章小结 15

第4章 高原环境下分解炉内气固流场数值模拟 16

4.1 高原环境下气相流场 16

4.2 高原环境下气固二相耦合 18

4.3 本章小结 19

第5章 热工性能检测及平衡计算 20

5.1 热工性能检测 20

5.2分解炉物料平衡计算 21

5.2.1 收入物料 21

5.2.2 支出物料 22

5.3 分解炉热量平衡计算 22

5.3.1 收入热量 22

5.3.2 支出热量 23

5.4 高原环境对水泥窑烧成系统的影响 24

5.4.1 高原环境对分解炉的影响 24

5.4.2 高原环境对预热器的影响 24

5.5 水泥窑协同处置生活垃圾的社会环境经济效应 25

5.6 本章小结 25

第6章 结论 27

参考文献 28

致 谢 32

附录1 33

附录2 34

第1章 绪 论

1.1 引言

随着水泥行业的发展，水泥产量和消耗量正以惊人的速度增长，我国作为水泥生产大国，水泥行业的迅猛发展促进了我国的经济发展，但水泥熟料生产中需要消耗大量的资源和能量，给我国的资源与环境带来了巨大的压力^[1-2]。利用城市废物、工业废物或其混合物制成替代燃料来更换一些常规燃料，并将其利用于水泥生产中得到了研究人员的广泛关注^[3-5]。如果能利用生活垃圾替代一部分的煤粉，那么不仅可以降低煤粉的用量，节约资源能源，还可以减少垃圾焚烧，填埋，堆肥给环境带来的巨大影响，实现垃圾的资源化、无害化，使生活垃圾得到合理的利用^[6-7]，这对节约资源保护环境有着很大的意义。现阶段对于生活垃圾在水泥产业中的研究与应用多是在平原环境下，我国土地辽阔地势复杂，许多地区的海拔都在1000m以上，高海拔对生活垃圾的燃烧分解，水泥窑炉的运行工况都有着很大的影响^[8]。随着水泥产业的发展与进步，高原建设水泥厂数量与日俱增^[9-10]。因此研究高原环境下生活垃圾在分解炉内的燃烧特性对实现水泥生产的绿色转型有着重大意义。本论文将生活垃圾按一定比例与煤粉混合，通过热重炉型研究生活垃圾的燃烧特性；利用CFD技术模拟分解炉内煤粉、生活垃圾、生料和气相的流动和混合情况；最后通过热工标定技术分析高原环境对于水泥窑炉设备运行工况的影响，从而了解高原环境影响生活垃圾分解炉内生活垃圾燃烧的内在机制，今后才能更好的将水泥窑协同处置生活垃圾技术运用于高原建设水泥厂的实际生产之中。

1.2 论文研究目的及意义

随着西部地区经济发展，城市生活垃圾与日俱增，垃圾污染问题急需解决^[11-12]。现阶段我国处理生活包括卫生填埋、焚烧和堆肥法，其中通过焚烧法来处理生活垃圾能更好的实现垃圾无害化、资源化、减量化。但是我国垃圾分类制度不健全且水分高、灰分高、热值低，尽管焚烧技术具有占地面积小、减容减量效果好等优点，但是在处理生活垃圾的过程中依然存在焚烧不完全，易产生二噁英等有害气体，污染难治理等问题^[13-14]。常规环境下的垃圾焚烧处理都存在着各种各样的问题，而高海拔地区气压低、空气稀薄、氧气含量低，使用常规焚烧技术处理生活垃圾更是难上加难^[15-16]。随着海拔升高，压力降低，氧气浓度降低，将导致燃烧速率降低，点火困难，燃烧过程不稳定，烟气产生量大，燃烧不充分等诸多问题，燃烧过程中还会产生许多有害物质，对环境产生巨大危害^[17-18]。

水泥窑炉协同处置固体废弃物技术是水泥行业未来非常具有前景的发展方向之一，相较于将生活垃圾直接焚烧处理具有更多的优势，水泥窑炉协同处理固体废弃物技术在实现生活垃圾无害化、资源化的同时还可以节约煤炭等化石燃料，对实现水泥行业的可持续发展有着重要意义^[19-20]。随着西部发展，高原建设水泥厂数目与日俱增，然而目前对于水泥窑炉协同处置固体废弃物的研究针对的大多是平原地区的水泥厂，高原地区的环境与平原地区有着较大的差异，如果想将这项技术运用于高原建造水泥厂上，还存在许多的问题^[21]。所以研究高原环境下城市生活垃圾的燃烧特性，高原环境对水泥窑炉工况的影响，扩大水泥窑炉协同处置生活垃圾技术的运用范围，将推进高原地区水泥生产的发展，对水泥窑炉处置生活垃圾技术的绿色发展有着重要的意义。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内外高原环境下生活垃圾燃烧研究现状

欧美、日本等发达国家对于水泥窑炉协同处置固体废弃物的研究起步早，并且发展水平较高。1974年，加拿大首次针对水泥窑处置生活垃圾进行了实验研究。目前将固体废弃物作为水泥生产替代燃料已经在欧洲十分普遍，平均替代率达到了28%左右，个别的水泥厂替代率甚至可以达到100%^[22]。目前国内已经有多家水泥厂对水泥窑炉协同处理固体废弃物技术进行了探索研究，将水泥窑炉协同处置固体废弃物技术运用于水泥生产中^[23-24]。如：北京水泥厂首次开启了大规模处理固体废弃物的生产线，1998年起北京水泥厂一条2000t/d的生产线投入使用并开始对北京的工业危险废弃物进行处理。2005年北京水泥厂建立的3200t/d的生产线可处理10万吨固体废弃物。截止到2016年6月，北京水泥厂固体废弃物处理量已经达到了20余万吨每年。湖北华新水泥公司于2007年开始进行水泥窑协同处置固体废弃物技术的探索，在武穴建立了国内最大的水泥窑协同处置废弃物的水泥工厂，目前华新水泥运行和在建的环保工厂共计30余家，年处理废弃物总量超过了550万吨。广州越堡于2009年建立了我国最大的水泥污泥处理项目，将一条6000t/d的水泥熟料生产线投入处理城市生活污泥，处理能力高达739t/d。安徽海螺集团将水泥工业新型干法窑与气化焚烧炉结合起来开发出了处理城市垃圾的CKK技术，2010年利用两条5000t/d的水泥生产线，日处理生活垃圾600t。

国内外研究人员对于生活垃圾的燃烧特性进行了相关的研究，F. Wissing等人将常见的生活垃圾进行分类，利用CFD数值模拟技术对其在炉排炉内的燃烧特性展开了研究^[25]；Xu等人对造纸污泥的含水率对燃烧的影响进行了研究，发现造纸污泥含水量较高会导致局部高温，从而加剧焚烧炉内的结焦和腐蚀^[26]；Grammelis等人对RDF的燃烧和热解特性展开了研究，研究过程中发现木质素在样品热解过程中的贡献最小,与褐煤相比，RDF样品的燃烧效果更好^[27]；G.McKay等人对城市生活垃圾焚烧生成二噁英的机理进行了研究，发现当燃烧室里雷诺数大于50000时，生活垃圾焚烧过程中的二噁英排放可得到有效的控制^[28]。现在对生活垃圾燃烧特性的研究主要都集中在平原地区，目前燃烧过程依旧存在着燃烧不充分，易产生二噁英等有害物质，燃烧效率低等问题。高原地区低温低氧的特性会加剧这些问题，同时水泥生产对于燃料燃烧的效率有着更高的要求，所以研究高原环境下生活垃圾的燃烧特性对生活垃圾在水泥工业中的应用有着重要意义。

燃料燃烧是发生在分解炉内的重要反应，而高原环境下制约燃料燃烧的重要因素就是氧气浓度的降低，氧气浓度的降低会导致燃烧速率低，燃烧不充分，生成二噁英等有害物质等许多的问题^[13-14]。富氧燃烧技术作为一种先进的，环境友好的燃烧技术引起了研究人员的重视,富氧燃烧是指在比通常空气的含氧浓度更高的富氧空气中进行燃烧^[29-30]。通过提高氧气浓度可以提升燃烧的速率，使燃烧更加充分，提升燃烧热效率^[31]。富氧燃烧技术的应用对提升高原环境下水泥分解炉内生活垃圾的燃烧效率有着重要意义。彭好义等人将用于有色金属冶炼的瓦纽可夫炉用作垃圾富氧焚烧的燃烧炉，因为这种焚烧炉具有较深的熔池，高温富氧空气通过侧墙上的鼓风口吹入可以增加反应物接触面提升反应效率，通过研究发现这种高温富氧空气熔融焚烧技术大大减少了二噁英的排放，降低了烟气排放量和NOx的排放量，很大程度上减少了燃烧过程对环境污染大的问题^[32]。史彦勇等人对富氧燃烧技术在水泥回转窑中的应用进行了研究，通过用富氧空气代替窑头一次风，提高窑内火焰稳定度和煤粉燃烬率；同时将富氧空气通入回转窑中，提升窑内缺氧区域的氧气浓度，提高燃烧效率稳定火焰形状^[33]。但是现在富氧燃烧技术并没有广泛应用于分解炉燃烧过程中，对于富氧空气富氧率的选择，富氧空气的喷入方式和位置等还需要做进一步的探究。

1.3.2 国内外数值模拟在水泥工业中的应用研究现状

CFD（计算流体力学）技术是一项通过计算机来解决流体流动和传热过程中各种工程问题的一项技术。CFD技术诞生于1965年，现在已经广泛运用于航空航天、水利工程、汽车工程、化工过程等多个领域。分解炉作为燃料燃烧、热量交换与分解反应同时进行的新型热工设备，其内部发生着复杂的气体固体流动和传质传热过程^[34-35]。燃料、生料与气流在分解炉内的运动混合过程较为复杂，若是要利用原型或者模型模拟，那势必需要耗费巨大人力物力和财力，同时给环境带来巨大压力^[36]。将数值模拟技术应用于分解炉的研究中，不仅节省了时间，节约了成本而且实验结果能更好更准确的反映出分解炉内的速度场、流场、温度场以及各个组分的浓度场^[37-39]，目前CFD技术在水泥窑炉的研究方面得到了广泛的应用^[40-41]。印志松等人对CFD在水泥工业中的应用进行了研究,利用CFD技术对分解炉内煤粉燃烧的过程进行了模拟，求解出分解炉内煤粉燃烧的温度场和速度场，煤粉挥发速率、燃尽速率并进行了分析比对^[42]。梅书霞等人利用CFD技术研究了RDF和煤粉共燃过程中的相互影响，发现煤粉对RDF的燃烧具有促进作用^[43]。之后用RDF代替一部分煤粉，通过数值模拟技术模拟RDF和煤粉在分解炉内共燃,和CaCO₃的分解过程，对RDF和煤粉在分解炉内燃烧的过程和燃烧特性及CaCO₃的分解过程进行了分析^[44]。Ariyaratne等人以肉骨粉作为载体利用CFD技术研究了进料位置和燃烧颗粒尺寸对燃烧特性的影响^[45]。综上所述，现阶段对于分解炉内燃烧过程的研究以RDF和煤粉为主，而且对于分解炉内流场和气固二相耦合的研究也已经较为成熟，为本论文利用CFD数值模拟技术来研究分解炉内燃料和生料的流动运动状态提供了宝贵的经验。

1.4 本论文研究目标和内容

本论文将实验研究、数值模拟和水泥厂现场工程检测三种方法相结合，对于高原环境下生活垃圾的燃烧特性展开研究。

（1）生活垃圾原材料特性分析

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