浅谈分解炉分级燃烧改造的设计与调试

  摘要：分级燃烧技术是一项无需运行成本的脱硝技术，通过设计上的周全考虑、操作上的精心配合，能够在不影响产量、质量的情况下，稳定地保持脱硝效率，对降低氮氧化物排放总量非常有效，是水泥行业降低氮氧化物的首选技术。实践证明，分级燃烧技术总体脱硝效率在25%~45%之间，平均率31%左右。改造后生产运行稳定，部分技术经济指标还有所改进。

  预分解窑采用分级燃烧脱硝技术，是水泥工业降低氮氧化物排放的重要技术路线之一。在分级燃烧脱硝技术改造设计时，既要考虑脱硝效率，又要保证生产的稳定运行，防止系统结皮和塌料现象的产生，同时，在生产调试和操作配合上也非常关键。该技术通过海螺集团数十条生产线的改造实践，总体脱硝效率在25%~45%之间，平均效率31%左右，改造后生产运行稳定，部分技术经济指标还有所改进。本文就分解炉分级燃烧改造的设计及调试经验作一介绍，以供参考。

  1 改造内容及设计思想

  1.1 改造原理及主要改造内容

  分解炉分级燃烧技术主要有空气分级燃烧和燃料分级燃烧，本文主要介绍燃料分级燃烧。该技术是在分解炉锥部空间建立脱硝还原燃烧区，将原分解炉用煤的一部分均布到该区域内，使其缺氧燃烧以便产生CO、CH₄、H₂、HCN和固定碳等还原剂。这些还原剂与窑尾烟气中的NO_x发生反应，将NO_x还原成N₂等无污染的惰性气体。此外，分解炉中的煤粉在缺氧条件下燃烧，也抑制了自身燃料型NO_x产生，从而实现水泥生产过程中的NO_x减排。

  本文介绍的分级燃烧技术改造工作量小，停窑时间短，主要有两个部分，一是对分解炉喂煤点进行重新设计和布置，相应地对窑尾煤粉输送管道（窑尾塔架内部分）进行改造；二是对窑尾烟室入炉风速进行重新平衡和设计，相应地对窑尾烟室缩口及分解炉锥部形状和耐火材料进行改造；此外，根据以上两部分的改造内容和各生产线的具体情况，考虑对分解炉C4下料形式、三次风入炉风口形式等进行调整，以配合整体改造和运行效果。

  窑尾煤管改造及分解炉改造见图1～3。

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  1.2 改造方案的主要设计思想

  在技术改造方案上，我们着重考虑技改工作量、脱硝效率、结皮、塌料等因素，具体如下：

  （1）分解炉燃烧器分上下两层四点布置，在分解炉锥部空间较小的区域构建脱硝还原区，煤粉多点进入，增加了煤粉在分解炉内的燃烧空间，保证了分解炉出口煤粉能充分燃烧。

  （2）分解炉锥部两个燃烧器旋转对称布置，在锥部形成旋转的燃烧流场，利于脱硝还原区的形成。在燃烧器位置、旋转角度和煤粉量大小上，充分考虑分解炉锥部的断面热负荷，避免还原区产生高温而引起结皮。

  （3）对窑尾烟室缩口、上升烟道及分解炉锥部进行整形改造，上升烟道及锥部采用方变圆结构，并延长上升气流的路径。方变圆结构可有效地减弱分解炉锥体内部的旋流运动，保证不造成大量的生料或煤粉颗粒被旋流运动造成的下旋而带到分解炉锥体缩口处，确保不产生塌料、串料入窑的现象。这样的考虑，对提高煤粉燃烧速度、燃烧效率都是有利的。

  （4）调整三次风入炉的形状、面积大小，以适当的入炉角度、风速提供助燃空气。

  （5）在分解炉锥部与上升烟道交界处设置了扬料凸台，以利于物料的分散及与气流、煤粉的混合，并避免生料塌料现象的发生。

  （6）开发了适合分解炉分级燃烧的专用燃烧器，燃烧器出口煤粉以旋流形式及适当的速度喷出，配合了分解炉的流场、温度场的形成。

  （7）窑尾煤粉管道的改造布置简洁、操作调整便利。上下两层煤粉管径已考虑了使用比例，正常情况下，三个煤粉分料阀均处于中间位置，即可实现分解炉上下部煤粉的喂入比例（上40%:下60%），一般调试过程中只需对煤粉分料阀进行微调或不调。

  （8）在工艺操作上要配合分级燃烧的总体改造思路，分配好三次风和窑风的比例，尽量降低窑内通风，同时，控制系统用风量，以利于还原区的形成和脱硝效果的稳定。

  1.3 利用CFD数值模拟技术对改造方案进行优化

  在设计开发中，我们借助CFD数值模拟技术对分解炉内的温度场、流场、颗粒及气体成分分布和脱硝效果进行模拟分析，优化完善改造方案。

  （1）由于分解炉锥部增加了两个燃烧器，在锥部空间容易产生高温而引起结皮，因此，我们通过CFD模拟，优化调整烟室截面积及气流速度、三次风入炉风速及风向、燃烧器位置、角度与旋向等参数，尽量避免壳体边壁产生高温而引起结皮，将高温区域引向分解炉中间区域，这从改造前后的温度场对比（图4）可以看出。从实际生产运行中，也验证了基本无结皮现象。

  （2）从改造前后分解炉内CO浓度模拟（图5）显示：在分解炉锥部4 m左右高度位置形成了高浓度的CO还原区域，同时，分解炉主炉出口部位改造后的NO含量明显下降（图6）。

  2  试运行调试过程

  2.1 调试时间

  主要调试工作是配合设计思想而进行的操作优化，一般调试过程只需3天左右时间。但中控操作人员真正适应改造后的变化，理解和掌握改造后的操作优化要领，还有一个适应过程。

  2.2 调试步骤

  （1）第一天：按照改前操作经验正常满负荷运行，观察中控操作参数的变化。点火投产前，现场将3个煤粉分配器（三通阀）的挡板均调至中间位置（此时上部2个燃烧器与下部2个燃烧器的燃煤比例是40%∶60%，上部2个燃烧器的用煤量相同，下部2个燃烧器的用煤量也相同。根据改造前的正常操作经验、运行参数等，将生料喂料量逐步增加至满负荷。到满负荷生产并稳定运行后，记录预热器出口、分解炉、窑尾烟室等各部位的温度、压力、气体成分等参数变化情况。

  （2）第二天：调整高温风机转速及窑内风与三次风比例，以进一步降低预热器出口NOx含量。改造后在三次风挡板开度不变的情况下，预热器出口O2含量会上升，首先降低高温风机转速，将预热器出口O2含量控制在2%左右。在降低窑尾高温风机转速后，逐步地增加三次风挡板开度，降低窑内空气过剩系数，控制窑尾烟室O2含量小于3.0%，同时调整高温风机转速，以控制预热器出口O2含量在2%以内。为防止烧成带因窑内用风变小而缩短了烧成带长度，可适当地抬高窑头燃烧器位置（借助窑尾温度和筒体扫描仪等参数），以保持原烧成带的长度，防止跑生料。三次风挡板开度以不造成窑内欠氧和产生黄心料为原则。

  （3） 第三天：调整分解炉上下部燃烧器的喂煤比例，进一步提高脱硝效率。通过以上两条的操作和调试后，若想进一步提高分级燃烧的脱硝效率，则可通过调整增加下部两个燃烧器的喂煤比例，但调整幅度不宜过大。过大，一方面会导致窑尾煤粉输送管道阻力增加，送煤罗茨风机出口压力上升；另一方面，可能会使分解炉锥部断面热负荷过大而产生高温结皮问题。一般下部两个燃烧器的喂煤比例可从60%逐渐调整至65%，最多不超过70%为宜。

  3 结束语

  改造后脱硝效率一般在30%左右。要进一步提高和稳定脱硝效率，改造后的调试及操作优化比较重要，需要操作人员领会改造思想，适应改造后的精细化操作要求。总结多条生产线的改造调试经验，有如下操作要点供读者参考：

  （1）根据改造后的工艺参数变化情况，需重新调整平衡各控制参数，建议窑尾烟室氧含量控制＜3.0%，分解炉出口氧含量控制在1.5%左右，预热器出口氧含量控制在2.0%左右，脱硝效果较好。

  （2）烟室缩口的改造，对窑尾烟气进行了整流，窑内通风及入炉烟气更加稳定，窑尾烟室负压波动幅度减小，这对减少窑内用风量和过剩空气系数、控制窑尾烟室氧含量提供了一定的操作空间。

  （3）通过先降低高温风机转速，再增加三次风挡板开度（保持预热器出口氧含量在2%左右）的操作方式，重新调整三次风与窑内通风平衡，尽量减少窑内过剩空气系数和用风量，并通过窑头燃烧位置的适当调整，保持原烧成带的长度。

  总之，分级燃烧技术是一项无需运行成本的脱硝技术，通过设计上的周全考虑、操作上的精心配合，能够 在不影响产量、质量的情况下，稳定地保持脱硝效率，对降低氮氧化物排放总量非常有效，是水泥行业降低氮氧化物的首选技术。