水泥熟料生产线分级燃烧脱硝减排技术应用

  摘要：为降低水泥窑系统氮氧化物排放浓度，国内水泥企业和设计院所纷纷研究开发分级燃烧技术并投入实际应用，取得良好效果。对分级燃烧技术方案作一些介绍，并结合实例对使用效果进行分析和研讨。

  0  前 言

  低氮分级燃烧技术起源于美国20世纪50年代的燃煤电厂。在水泥行业，从80年代开始，随着水泥预分解技术的日趋成熟，开始开发应用该技术，实现对水泥生产过程中产生的NOx减排。为落实国家《“十二五”节能减排综合性工作方案》要求，降低水泥窑系统氮氧化物排放浓度，国内水泥企业和设计院所纷纷研究开发分级燃烧技术并投入实际应用，取得良好效果。该技术属一次性投资，不增加生产线运行成本，但对操作要求较高，通过操作优化也有利于改善系统运行状况。本文对分级燃烧技术方案作一些介绍，并结合实例对使用效果进行分析和研讨。

  1   低氮分级燃烧技术原理和减排目标

  1.1   技术原理

  燃料分级燃烧是指在烟室和分解炉之间建立还原燃烧区，将原分解炉用燃料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NOx发生反应，将NOx还原成N₂等无污染的惰性气体。此外，煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型NOx产生，从而实现水泥生产过程中的 NOx 减排。

  主要化学反应过程如下：

  2CO + 2NO → N₂ + 2CO₂

  2H₂ + 2NO → N₂ + 2H₂O

  NHi +  NO → N₂ + …

  1.2 设计思想

  （1）对窑尾烟室入炉烟气进行整流，将上升烟道改造成方形，同时，将上升烟道的直段延长，使窑内烟气入炉流场稳定，降低入炉风速；

  （2）在上升烟道与分解炉锥部连接处设计弧面扬料台，防止塌料现象发生，同时易于生料与气流的混合；

  （3）在分解炉锥部设计脱氮还原区，将分解炉煤粉分4点、上下2层喂入，增加了燃烧空间。在保证煤粉充分燃烧的同时，适当增加分解炉锥部的煤粉喂入比例，保证缺氧燃烧产生的还原气氛，还原窑尾烟气中大量的NOx，产生良好的脱硝效率；

  （4）根据原系统的运行状况，调整C4下料点位置，使生料沿分解炉锥部内部下滑，避免分解炉锥部高温结皮现象；

  （5）根据原系统三次风入炉速度和流场分布的需要，调整三次风入口面积大小和入炉风速；

  （6）操作上，适当降低窑内通风和喂煤量，增加三次风量和分解炉喂煤量，尽量降低窑内过剩空气系数，减少NOx的生成量；降低506风机转速，尽量减少系统用风，在保证脱硝效率的同时可降低熟料烧成热耗，同时系统阻力有所降低。

  分级燃烧技术主要有空气分级燃烧和燃料分级两种类型。

  1.3  分级燃烧脱氮技术应用的影响因素

  影响分级燃烧脱氮技术应用及效果的主要因素包括：原、燃料的情况、煤粉在脱氮区的停留时间、窑尾的氧含量等。

  （1）严格控制原、燃料中有害成分，生料中的Cl^-＜0.015%（max0.02%）,K₂O+NaO＜1%,硫碱比＜1.5%，以保证系统的正常运行；

  （2）相对无烟煤而言，烟煤的高挥发份能够提供更多还原物质，提高分级燃烧的脱氮效率；

  （3）窑尾烟室的氧含量越低，分级燃烧的脱氮效果越好。在窑尾氧含量高于3.5%时，将影响分级燃烧的效果，因此必须以全面提高生产管理水平和精细化操作水平为保证，此点对于大多水泥厂来说是一挑战。

  （4）脱氮区空间需能够满足煤粉及还原性物质还原NOx所需的停留时间。

  1.4 减排目标

  通过实施分级燃烧技术改造，达到NOx排放浓度下降30%的目标，并根据各生产线具体情况，通过生产管理和精细化操作等手段，将NOx的排放浓度控制在500-550mg/Nm³的水平。

  2  技术方案

  分级燃烧技术要针对不同窑炉系统进行设计，前期要收集系统原始设计数据和实际运行参数，并对原燃材料特性进行分析。施工过程中，要安排专业技术人员跟踪监控，做好窑尾烟室缩口尺寸、分解炉托台尺寸、燃烧器安装箱内部尺寸等原始数据收集，建立技术台帐，为后期运行和调整提供依据。低氮燃烧技术方案主要包括以下方面：

  （1）分解炉锥体及上升烟道：根据不同分解炉工艺状况，对分解炉锥体及上升烟道进行改造，改变窑尾烟室出口与分解炉锥部之间的上升烟道形状和高度，并在分解炉锥部下口设计扬料跳台，对窑尾烟气进行整流，防止塌料现象；

  （2）分解炉燃烧器：南京院、成都院废弃原分解炉2个燃烧器，新设4个燃烧器，上部2个对称布置在分解炉柱体，下部2个对称布置在分解炉锥部；天津院保持原分解炉两个燃烧器位置不变，在分解炉锥部对称增加两个燃烧器。改造后下部2个燃烧器的喂煤量为窑尾喂煤量的55-65%，在分解炉锥部形成还原区，还原窑内产生的NOx；

  （3）窑尾粉煤输送管道：根据南京院、成都院分级燃烧改造设计的燃烧器位置，相应的对窑尾煤粉输送管道进行重新设计和改造，保证煤粉在上下部燃烧器的焚烧比例，并通过设计带分料挡板的煤粉三通阀，实现煤粉分配比例的微调；天津院早期烧成系统，其分解炉炉容较小，根据实际情况，先对煤粉管道进行改造，不增加计量系统，后期可根据改造效果，增加单独的煤粉秤便于更好地精确控制分解炉上下两层的煤粉分配比例，以提高实际生产的可控性；

  （4）C4下料点的变动和调整：天津院原分解炉4点进料改为2点进料，封闭分解炉上部2个进料口，C4物料全部从下部2个进料口喂入，达到控制分解炉锥部温度，防止高温结皮现象的产生。南京院、成都院C4下料点不变；

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  （5）三次风管的改造：根据实际情况，成都院系统降低三次风入炉风速，将风速从原来的26.7m/s降低至18.2m/s，入口截面积由原来的5.8m2增加至7.5m²。天津院、南京院系统不作大的改动；

  4  运行调试

  4.1 系统用风调整

  因采用分级燃烧技术，严格控制系统用风量，通过降低窑尾高温风机转速及提高三次风挡板开度，控制系统0₂含量，预热器出0₂含量控制在2.0%以内；

  4.2 三次风调整

  三次风至分解炉进风口改为长方形，截面积减少，提高了三次风速，增强旋流效应，为防止下部燃烧器用煤量较大时，煤粉贴壁燃烧而造成局部高温现象，及时打开三次风挡板，增加三次风量，改善分解炉燃烧效果，优化窑炉用风比例。因窑内二次风量降低，还原气氛过多，适当提高入窑物料温度，保证熟料煅烧质量；

  4.3 分解炉分煤比例调整

  技改方案中分解炉上部与下部燃烧器用煤比例为40%：60%，实际操作中为了提高锥部还原区CO浓度，增强还原效果，适当调整用煤比例，将分解炉上部与下部用煤比例从40%：60%调整为35%：65%，增加下部用煤量，提高还原效果，现场检查分解炉锥部无结皮，窑工况稳定，熟料产质量受控。

  5  分级燃烧使用效果分析

  以安徽海螺集团为例，分级燃烧技术改造后各生产线运行情况良好，脱硝效果明显，南京院分解炉脱硝效率约为30%，成都院分解炉约为40%，天津院分解炉约为25%。三种炉型生产线改造前后运行参数对比见表1。

  6 总 结

  根据不同窑炉系统分级燃烧技术应用实际情况，得出以下结论：

  （1）分级燃烧技术改造脱硝效果明显，NOx减排效率平均在30%左右（特别是对分解炉炉容较大的生产线脱硝效率更加明显），且改造后不影熟料产质量，未发现窑尾烟室、分解炉等部位有结皮现象，系统运行正常稳定；

  （2）改造后改变传统大风大料操作思路，主要运行参数得到优化，窑尾高温风机转速下降，预热器出口温度和负压降低，熟料热耗下降10-20Kcal/kg^-cl，由于系统用风减少，熟料电耗也相应有所降低；

  （3）窑尾烟室上升烟道以及分解炉下锥体的耐火材料改造效果较好，不易产生塌料现象，窑内通风更易于稳定，窑尾负压降低，且波动幅度减小，较改造前稳定；

  （4）窑头、窑尾喂煤量比例对分级燃烧的NOx减排效果影响明显，窑头喂煤量减少，分解炉喂煤量增加，预热器出口NOx浓度下降，反之，则上升；

  （5）通过对分解炉下部结构改造和窑尾燃料的分级燃烧，构建了还原区域，改善了窑内的通风，并通过流场的整形，创造了良好的脱硝空间，起到了较好的脱硝和运行效果。

  7  问题与建议

  （1）分级燃烧技术改造后，中控操作主导观念变化较大，操作上需要平衡产质量与减排效果的关系，操作难度增加，需进一步优化生产管理及操作控制，减少系统用风，严格控制窑尾的O2含量不高于3%，尽可能减少窑头用煤；

  （2）技改实施过程中需要严格按照图纸施工，确保设计思想和改造意图得以充分体现和发挥，避免产生其它问题而影响生产，建议采用三次风分风分级燃烧改造与燃料分级燃烧改造同步实施，进一步强化分级燃烧效果；

  （3）改造后需要注意窑尾SO₂排放是否会导致增加，并从理论上加以分析与解决，加强研究原燃材料成分、操作、配料以及原煤细度对降低NO_X的影响。

  8  水泥行业脱硝减排建议

  （1）国家应从现实角度出发，制定切实可行的氮氧化合物减排标准。标准的制定既要达到控制氮氧化合物排放目的，也应符合目前的技术现状。

  （2）采用和推广低NOx燃烧技术。单纯采用SNCR技术或SCR技术不是最有效的解决方案，这两种技术存在的问题：一是大幅度提高企业的生产成本，二是需要消耗大量的氨水或尿素，这也是一种二次能源浪费和环境污染，其中SCR技术对水泥生产工艺的适应性还有待进一步探索。目前采用的低氮燃烧技术已通过实践验证，节能减排效果明显，值得行业推广。正如中材国际工程股份有限公司总工程师，“全国工程勘察设计大师”蔡玉良所言：水泥行业脱硝应以分级燃烧主，SNCR技术为辅，降低脱硝运行成本，确保水泥企业能够长期有效的满足氮氧化物减排的控制需要。

  （3）政府应借鉴对燃煤发电厂的环境经济政策，对实施脱硝改造的企业给予脱硝投资补贴及水泥产品销售税收适度减免政策，以调动企业积极性，促进全行业脱硝技术的快速发展。