了对某产量300td的气烧石灰环型竖窑内温度场的三维仿真。 相比之下，针对其他类型石灰窑建立的模型较少。Do2建立了用于描述常规竖窑和并流蓄热式双膛 石灰窑（麦尔兹窑）的数学模型，该模型采用常微分方程组描述了气固相平衡关系，并采用缩核反应模 型描述石灰石料块的分解过程：Elfakharany开发了混烧石灰竖窑的数学模型，分析了不同操作条件对石 灰窑操作的影响；Senegacnik等建立了套筒窑中石灰石料块内传热和煅烧过程的理论模型：刘国辉等2 为提高产品石灰活性并降低能耗，以产量200td的麦尔兹窑为研究对象，基于Fluent软件实现了石灰煅 烧过程的数值模拟，对比分析了窑内的参数分布。 近年，基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,.CFD)和离散单元法(Discrete Element Method,DEM)耦合模拟的方法也被应用于石灰窑的模拟研究。Bluhm-Drenhaus等建立了石灰生产过程 的气固传输耦合模型，基于CFD建立质量、动量和能量的三维传输模型，同时基于DEM建立料块的机 械运动和分解反应模型：Krause等2提出基于三维料块机理的数学模型，通过耦合三维DEM-CFD模拟， 实现竖窑内石灰石料块的移动和反应过程的模拟；Krause等还基于Fluent软件和自制DEM软件对麦尔 兹窑进行了3D-DEM-CFD模拟，研究了窑内燃料燃烧、料块煅烧和热质传递过程。 上述文献为石灰煅烧过程的建模提供了良好的基础，但文献模型不能直接套用于本文研究的石灰煅 烧过程，主要原因是新型煅烧过程与常规工艺的煅烧过程存在较大不同，例如反应段气相CO2的分压增 加至常规工艺的五倍左右。为此，本文开发了基于CO2加热的石灰煅烧过程数笑模型， 据此获得各关键 参数在煅烧窑中的分布规律，并获得主要工况参数对煅烧过程的影响规律 1数学模型 1.1模型简化与假设 本文研究的基于CO2加热的石灰煅烧过程的原理如图2所示，其中忽略了与常规工艺相同的冷却段以 及参数不发生显著变化的均热段，而仅研究与常规工艺不同的预热段和反应段。石灰石料块从锻烧窑顶 部装入（进料），经煅烧形成石灰后从底部排出，整个过程中料块在重力的作用下缓慢向下移动。高温 的进气(CO2)从煅烧窑底部通入反应段，以提供石灰石受热分解反应所需要的热量，从反应段排出的 CO2进入上方的预热段，预热段中料块被上升的CO2以逆流访式预热，并最终从顶部排出尾气(CO2)。 与常规烟气煅烧模型相比，基于CO2加热的石灰煅烧过程模型主要有以下不同之处：(1)煅烧窑内无需 考虑燃料的燃烧：(2)煅烧窑内二氧化碳的分压增了驹五倍， 石灰石分解反应的平衡温度提高： (3)煅烧窑内为纯CO2气氛，CO2为发射性气体，因此领考虑辐射换热。 Limeston Tail gas(COh) Preheating 录用稿件 州 Particles Gas Reaction H 图2基于CO2加热的石灰椴烧过程的原理 Fig.2 Principle of the lime calcination process using CO2 heating 图2所示的煅烧过程中，石灰石的热分解行为由三个过程决定：(1)热量从周围的气相传递到料块 表面的对流换热过程；(2)热量从表面通过产物层传递至反应界面的导热过程，该过程保证了界面处化 学反应的持续推进：(3)反应生成的CO2气体的传质过程，即CO2从反应界面进入产物层，再从产物层 扩散至料块表面并最终进入气相。 本文建立的石灰缎烧过程数学模型为一维稳态模型，即假定任何横截面的特性（气体和料块的温度 以及料块转化率等)是均匀的，变化仅限于垂直方向，并且料块在煅烧窑内的下降过程是匀速稳定的。 为合理简化模型，建模过程还需进行以下假设：(1)料块为球形，且料块在锻烧窑内保持外形及尺寸不 变（忽略磨损和烧结等），即料块离开煅烧窑时的形状和大小与进入时相同：(2)料块在煅烧窑中的堆 积方式为等径球体的立方体排列：(3)煅烧窑顶部装入的石灰石料块只含CCO:(4)石灰石分解反 3-了对某产量 300 t·d-1的气烧石灰环型竖窑内温度场的三维仿真。 相比之下，针对其他类型石灰窑建立的模型较少。Do[21]建立了用于描述常规竖窑和并流蓄热式双膛 石灰窑（麦尔兹窑）的数学模型，该模型采用常微分方程组描述了气固相平衡关系，并采用缩核反应模 型描述石灰石料块的分解过程；Elfakharany[22]开发了混烧石灰竖窑的数学模型，分析了不同操作条件对石 灰窑操作的影响；Senegacnik 等[23]建立了套筒窑中石灰石料块内传热和煅烧过程的理论模型；刘国辉等[24] 为提高产品石灰活性并降低能耗，以产量 200 t·d-1的麦尔兹窑为研究对象，基于 Fluent 软件实现了石灰煅 烧过程的数值模拟，对比分析了窑内的参数分布。 近年，基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）和离散单元法（Discrete Element Method, DEM）耦合模拟的方法也被应用于石灰窑的模拟研究。Bluhm-Drenhaus 等[25]建立了石灰生产过程 的气固传输耦合模型，基于 CFD 建立质量、动量和能量的三维传输模型，同时基于 DEM 建立料块的机 械运动和分解反应模型；Krause 等[26]提出基于三维料块机理的数学模型，通过耦合三维 DEM-CFD 模拟， 实现竖窑内石灰石料块的移动和反应过程的模拟；Krause 等[27]还基于 Fluent 软件和自制 DEM 软件对麦尔 兹窑进行了 3D-DEM-CFD 模拟，研究了窑内燃料燃烧、料块煅烧和热质传递过程。 上述文献为石灰煅烧过程的建模提供了良好的基础，但文献模型不能直接套用于本文研究的石灰煅 烧过程，主要原因是新型煅烧过程与常规工艺的煅烧过程存在较大不同，例如反应段气相 CO2的分压增 加至常规工艺的五倍左右。为此，本文开发了基于 CO2加热的石灰煅烧过程数学模型，据此获得各关键 参数在煅烧窑中的分布规律，并获得主要工况参数对煅烧过程的影响规律。 1 数学模型 1.1 模型简化与假设 本文研究的基于 CO2加热的石灰煅烧过程的原理如图 2 所示，其中忽略了与常规工艺相同的冷却段以 及参数不发生显著变化的均热段，而仅研究与常规工艺不同的预热段和反应段。石灰石料块从煅烧窑顶 部装入（进料），经煅烧形成石灰后从底部排出，整个过程中料块在重力的作用下缓慢向下移动。高温 的进气（CO2）从煅烧窑底部通入反应段，以提供石灰石受热分解反应所需要的热量，从反应段排出的 CO2进入上方的预热段，预热段中料块被上升的 CO2以逆流方式预热，并最终从顶部排出尾气（CO2）。 与常规烟气煅烧模型相比，基于 CO2加热的石灰煅烧过程模型主要有以下不同之处：（1）煅烧窑内无需 考虑燃料的燃烧；（2）煅烧窑内二氧化碳的分压增加了约五倍，石灰石分解反应的平衡温度提高； （3）煅烧窑内为纯 CO2气氛，CO2为发射性气体，因此须考虑辐射换热。 Limestone（feed） Lime Feed gas （CO2） Tail gas（CO2） Preheating Reaction z H 0 Gas Particles 图 2 基于 CO2加热的石灰煅烧过程的原理 Fig.2 Principle of the lime calcination process using CO2 heating 图 2 所示的煅烧过程中，石灰石的热分解行为由三个过程决定：（1）热量从周围的气相传递到料块 表面的对流换热过程；（2）热量从表面通过产物层传递至反应界面的导热过程，该过程保证了界面处化 学反应的持续推进；（3）反应生成的 CO2气体的传质过程，即 CO2从反应界面进入产物层，再从产物层 扩散至料块表面并最终进入气相。 本文建立的石灰煅烧过程数学模型为一维稳态模型，即假定任何横截面的特性（气体和料块的温度 以及料块转化率等）是均匀的，变化仅限于垂直方向，并且料块在煅烧窑内的下降过程是匀速稳定的。 为合理简化模型，建模过程还需进行以下假设：（1）料块为球形，且料块在煅烧窑内保持外形及尺寸不 变（忽略磨损和烧结等），即料块离开煅烧窑时的形状和大小与进入时相同；（2）料块在煅烧窑中的堆 积方式为等径球体的立方体排列；（3）煅烧窑顶部装入的石灰石料块只含 CaCO3；（4）石灰石分解反 -3- 录用稿件，非最终出版稿