水泥熟料作为工业生产重要的中间产物，和钢铁、石油和化工产品一样，是国民经济的重要载体，在社会生产中具有重要的应用价值。长期以来，我国的水泥产能和消耗量均占世界的一半以上，在助力城市建设与经济发展的同时，水泥生产因其典型的高污染高耗能特性也产生了大量的污染物，如NO_x、SO_x、粉尘等。鉴于现阶段的水泥炉窑脱硝处理技术工艺的效率难以进一步提升，因此为了满足日益严格的排放标准，需要研究兼顾高脱硝率和经济性的方法和措施。

水泥炉窑的核心装置包括回转窑和分解炉等，研究其内部的湍流燃烧反应过程对于优化脱硝非常关键。本文在国家重点研发计划项目支持下，提出利用水泥生产过程中常温空气与高温熟料热交换得到的高温空气这一种特殊的产物作为热源对煤粉进行富燃料气化，将得到的热煤气通过燃料分级的布局与分解炉进行耦合，送入分解炉下部的热煤气利用其还原性对烟气中的NO_x进行还原，送入分解炉中部的剩余热煤气作为燃料为生料分解提供热量，在此构想下进行了系统化的研究工作。

对现场取得的生料样和煤样进行热重分析等，得到了单煤样、单生料样及不同比例混合样在O₂/N₂气氛和O₂/CO₂气氛下的分解特性以及煤粉和生料的组成以及各组分的占比。将基于多种模型和机理耦合的数值方法模拟结果与试验数据比对，选择兼顾计算经济性和准确性的算法进行后续的研究。

针对高温低氧条件下NO还原机理不同于传统选择性非催化还原(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)脱硝机理的研究结果，在分解炉主燃区中进行高温低氧条件下的直接脱硝数值模拟。结果发现，主燃区脱硝相比于SNCR脱硝具有更高的脱硝效率。仅使用氨氮比(NSR)为0.1-0.2的条件下即可达到30%的脱硝效率，配合SNCR脱硝工艺一起使用，总体脱硝效率比单独使用SNCR脱硝工艺在相同氨氮比设定下提升10%以上。

针对影响气化炉热煤气温度和组分的因素（过量空气系数，蒸汽量，生料量等参数）进行七种工况条件下的数值计算。结果发现，添加生料，添加蒸汽，控制过量空气系数等手段均可以有效控制气化炉内温度。在气化炉内添加生料可以降低分解炉内的生产负荷；蒸汽的加入使得水的气化潜热增加，导致煤耗增加；降低过量空气系数易致煤气化反应程度过低，不利于系统压力平衡。最优调节方法是添加生料进行协同处置，可将添加蒸汽和控制过量空气系数作为辅助手段。

在上文煤粉气化的研究工作基础上，进行了气化炉热煤气耦合分解炉分级燃烧（上下层6:4的热煤气分配比例）与常规煤粉燃烧工况的数值计算。结果发现，热煤气燃料分级工况可以兼顾下锥体区域的NO_x脱除效率以及上层主燃区煤气燃烧为生料分解供热的需求。分解炉上部出口处，热煤气燃料分级工况比煤粉直接燃烧工况产生更低的NO_x浓度(320 mg/m³ vs 950 mg/m³)，热煤气燃料分级工况大幅提升了煤粉自脱硝效率，降低了后处理成本，具有广泛的应用前景。

针对分解炉内热力型NO_x生成量较高的问题，进行了21% vol. O₂/79 vol. N₂气氛和21% vol. O₂/79 vol. CO₂气氛下的数值计算。结果发现，CO₂作为保护气替换掉空气中的N₂后，几乎杜绝了热力型NO_x的产生，出口烟气中仅存少量燃料型NO_x，浓度仅为空气气氛下分解炉燃烧产生的NO_x浓度的1/10 (100 mg/m³ vs 950 mg/m³)，后处理脱硝环节压力大大降低。

在上文O₂/CO₂燃烧的研究工作基础上，进行了五种工况条件下分解炉O₂/CO₂气氛下耦合富氧燃烧的数值计算，O₂浓度范围为21%-37%，其余组分为CO₂。结果发现，随着氧气浓度的增加，烟气量大幅降低，而生料分解率几乎不变。对于降低炉容以及各设备的运行负荷和能耗有利，或在相同烟气量运行条件下可大幅增产。O₂/CO₂气氛下富氧燃烧最佳浓度为30%，可以兼顾脱硝效率和制氧成本。五种O₂/CO₂气氛下的出口NO_x浓度相比于常规空气燃烧条件下的NO_x浓度均大幅降低(125-189 mg/m³ vs 950 mg/m³)，完全满足现阶段国标对于重点地区320 mg/m³的排放限值，对于未来超低排放要求的50 mg/m³的排放限值，也大幅降低了脱硝处理压力。

针对富氧混入回转窑入窑净风因氧浓度提升不明显导致富氧助燃效果提升不明显的问题，进行了两种不同富氧风铲通道流速工况与无富氧常规工况的模拟计算。结果发现，富氧风铲通道设计相比于常规无富氧工况，可有效提升局部氧气浓度，强化主燃区燃烧强度，有利于熟料的煅烧。但富氧风铲通道工况易导致更多N₂转变为热力型NO_x，该工艺更适合与O₂/CO₂条件结合使用，实现炉窑一体化运行。