摘要：為降低水泥窯系統(tǒng)氮氧化物排放濃度，國內(nèi)水泥企業(yè)和設(shè)計(jì)院所紛紛研究開發(fā)分級(jí)燃燒技術(shù)并投入實(shí)際應(yīng)用，取得良好效果。對(duì)分級(jí)燃燒技術(shù)方案作一些介紹，并結(jié)合實(shí)例對(duì)使用效果進(jìn)行分析和研討。

  0  前 言

  低氮分級(jí)燃燒技術(shù)起源于美國20世紀(jì)50年代的燃煤電廠。在水泥行業(yè)，從80年代開始，隨著水泥預(yù)分解技術(shù)的日趨成熟，開始開發(fā)應(yīng)用該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的NOx減排。為落實(shí)國家《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》要求，降低水泥窯系統(tǒng)氮氧化物排放濃度，國內(nèi)水泥企業(yè)和設(shè)計(jì)院所紛紛研究開發(fā)分級(jí)燃燒技術(shù)并投入實(shí)際應(yīng)用，取得良好效果。該技術(shù)屬一次性投資，不增加生產(chǎn)線運(yùn)行成本，但對(duì)操作要求較高，通過操作優(yōu)化也有利于改善系統(tǒng)運(yùn)行狀況。本文對(duì)分級(jí)燃燒技術(shù)方案作一些介紹，并結(jié)合實(shí)例對(duì)使用效果進(jìn)行分析和研討。

  1   低氮分級(jí)燃燒技術(shù)原理和減排目標(biāo)

  1.1   技術(shù)原理

  燃料分級(jí)燃燒是指在煙室和分解爐之間建立還原燃燒區(qū)，將原分解爐用燃料的一部分均布到該區(qū)域內(nèi)，使其缺氧燃燒以便產(chǎn)生 CO、CH₄、H₂、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，將NOx還原成N₂等無污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒也抑制了自身燃料型NOx產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的 NOx 減排。

  主要化學(xué)反應(yīng)過程如下：

  2CO + 2NO → N₂ + 2CO₂

  2H₂ + 2NO → N₂ + 2H₂O

  NHi +  NO → N₂ + …

  1.2 設(shè)計(jì)思想

  （1）對(duì)窯尾煙室入爐煙氣進(jìn)行整流，將上升煙道改造成方形，同時(shí)，將上升煙道的直段延長(zhǎng)，使窯內(nèi)煙氣入爐流場(chǎng)穩(wěn)定，降低入爐風(fēng)速；

  （2）在上升煙道與分解爐錐部連接處設(shè)計(jì)弧面揚(yáng)料臺(tái)，防止塌料現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)易于生料與氣流的混合；

  （3）在分解爐錐部設(shè)計(jì)脫氮還原區(qū)，將分解爐煤粉分4點(diǎn)、上下2層喂入，增加了燃燒空間。在保證煤粉充分燃燒的同時(shí)，適當(dāng)增加分解爐錐部的煤粉喂入比例，保證缺氧燃燒產(chǎn)生的還原氣氛，還原窯尾煙氣中大量的NOx，產(chǎn)生良好的脫硝效率；

  （4）根據(jù)原系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，調(diào)整C4下料點(diǎn)位置，使生料沿分解爐錐部?jī)?nèi)部下滑，避免分解爐錐部高溫結(jié)皮現(xiàn)象；

  （5）根據(jù)原系統(tǒng)三次風(fēng)入爐速度和流場(chǎng)分布的需要，調(diào)整三次風(fēng)入口面積大小和入爐風(fēng)速；

  （6）操作上，適當(dāng)降低窯內(nèi)通風(fēng)和喂煤量，增加三次風(fēng)量和分解爐喂煤量，盡量降低窯內(nèi)過剩空氣系數(shù)，減少NOx的生成量；降低506風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，盡量減少系統(tǒng)用風(fēng)，在保證脫硝效率的同時(shí)可降低熟料燒成熱耗，同時(shí)系統(tǒng)阻力有所降低。

  分級(jí)燃燒技術(shù)主要有空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)兩種類型。

  1.3  分級(jí)燃燒脫氮技術(shù)應(yīng)用的影響因素

  影響分級(jí)燃燒脫氮技術(shù)應(yīng)用及效果的主要因素包括：原、燃料的情況、煤粉在脫氮區(qū)的停留時(shí)間、窯尾的氧含量等。

  （1）嚴(yán)格控制原、燃料中有害成分，生料中的Cl^-＜0.015%（max0.02%）,K₂O+NaO＜1%,硫堿比＜1.5%，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

  （2）相對(duì)無煙煤而言，煙煤的高揮發(fā)份能夠提供更多還原物質(zhì)，提高分級(jí)燃燒的脫氮效率；

  （3）窯尾煙室的氧含量越低，分級(jí)燃燒的脫氮效果越好。在窯尾氧含量高于3.5%時(shí)，將影響分級(jí)燃燒的效果，因此必須以全面提高生產(chǎn)管理水平和精細(xì)化操作水平為保證，此點(diǎn)對(duì)于大多水泥廠來說是一挑戰(zhàn)。

  （4）脫氮區(qū)空間需能夠滿足煤粉及還原性物質(zhì)還原NOx所需的停留時(shí)間。

  1.4 減排目標(biāo)

  通過實(shí)施分級(jí)燃燒技術(shù)改造，達(dá)到NOx排放濃度下降30%的目標(biāo)，并根據(jù)各生產(chǎn)線具體情況，通過生產(chǎn)管理和精細(xì)化操作等手段，將NOx的排放濃度控制在500-550mg/Nm³的水平。

  2  技術(shù)方案

  分級(jí)燃燒技術(shù)要針對(duì)不同窯爐系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，前期要收集系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)原燃材料特性進(jìn)行分析。施工過程中，要安排專業(yè)技術(shù)人員跟蹤監(jiān)控，做好窯尾煙室縮口尺寸、分解爐托臺(tái)尺寸、燃燒器安裝箱內(nèi)部尺寸等原始數(shù)據(jù)收集，建立技術(shù)臺(tái)帳，為后期運(yùn)行和調(diào)整提供依據(jù)。低氮燃燒技術(shù)方案主要包括以下方面：

  （1）分解爐錐體及上升煙道：根據(jù)不同分解爐工藝狀況，對(duì)分解爐錐體及上升煙道進(jìn)行改造，改變窯尾煙室出口與分解爐錐部之間的上升煙道形狀和高度，并在分解爐錐部下口設(shè)計(jì)揚(yáng)料跳臺(tái)，對(duì)窯尾煙氣進(jìn)行整流，防止塌料現(xiàn)象；

  （2）分解爐燃燒器：南京院、成都院廢棄原分解爐2個(gè)燃燒器，新設(shè)4個(gè)燃燒器，上部2個(gè)對(duì)稱布置在分解爐柱體，下部2個(gè)對(duì)稱布置在分解爐錐部；天津院保持原分解爐兩個(gè)燃燒器位置不變，在分解爐錐部對(duì)稱增加兩個(gè)燃燒器。改造后下部2個(gè)燃燒器的喂煤量為窯尾喂煤量的55-65%，在分解爐錐部形成還原區(qū)，還原窯內(nèi)產(chǎn)生的NOx；

  （3）窯尾粉煤輸送管道：根據(jù)南京院、成都院分級(jí)燃燒改造設(shè)計(jì)的燃燒器位置，相應(yīng)的對(duì)窯尾煤粉輸送管道進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改造，保證煤粉在上下部燃燒器的焚燒比例，并通過設(shè)計(jì)帶分料擋板的煤粉三通閥，實(shí)現(xiàn)煤粉分配比例的微調(diào)；天津院早期燒成系統(tǒng)，其分解爐爐容較小，根據(jù)實(shí)際情況，先對(duì)煤粉管道進(jìn)行改造，不增加計(jì)量系統(tǒng)，后期可根據(jù)改造效果，增加單獨(dú)的煤粉秤便于更好地精確控制分解爐上下兩層的煤粉分配比例，以提高實(shí)際生產(chǎn)的可控性；

  （4）C4下料點(diǎn)的變動(dòng)和調(diào)整：天津院原分解爐4點(diǎn)進(jìn)料改為2點(diǎn)進(jìn)料，封閉分解爐上部2個(gè)進(jìn)料口，C4物料全部從下部2個(gè)進(jìn)料口喂入，達(dá)到控制分解爐錐部溫度，防止高溫結(jié)皮現(xiàn)象的產(chǎn)生。南京院、成都院C4下料點(diǎn)不變；

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  （5）三次風(fēng)管的改造：根據(jù)實(shí)際情況，成都院系統(tǒng)降低三次風(fēng)入爐風(fēng)速，將風(fēng)速從原來的26.7m/s降低至18.2m/s，入口截面積由原來的5.8m2增加至7.5m²。天津院、南京院系統(tǒng)不作大的改動(dòng)；

  4  運(yùn)行調(diào)試

  4.1 系統(tǒng)用風(fēng)調(diào)整

  因采用分級(jí)燃燒技術(shù)，嚴(yán)格控制系統(tǒng)用風(fēng)量，通過降低窯尾高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及提高三次風(fēng)擋板開度，控制系統(tǒng)0₂含量，預(yù)熱器出0₂含量控制在2.0%以內(nèi)；

  4.2 三次風(fēng)調(diào)整

  三次風(fēng)至分解爐進(jìn)風(fēng)口改為長(zhǎng)方形，截面積減少，提高了三次風(fēng)速，增強(qiáng)旋流效應(yīng)，為防止下部燃燒器用煤量較大時(shí)，煤粉貼壁燃燒而造成局部高溫現(xiàn)象，及時(shí)打開三次風(fēng)擋板，增加三次風(fēng)量，改善分解爐燃燒效果，優(yōu)化窯爐用風(fēng)比例。因窯內(nèi)二次風(fēng)量降低，還原氣氛過多，適當(dāng)提高入窯物料溫度，保證熟料煅燒質(zhì)量；

  4.3 分解爐分煤比例調(diào)整

  技改方案中分解爐上部與下部燃燒器用煤比例為40%：60%，實(shí)際操作中為了提高錐部還原區(qū)CO濃度，增強(qiáng)還原效果，適當(dāng)調(diào)整用煤比例，將分解爐上部與下部用煤比例從40%：60%調(diào)整為35%：65%，增加下部用煤量，提高還原效果，現(xiàn)場(chǎng)檢查分解爐錐部無結(jié)皮，窯工況穩(wěn)定，熟料產(chǎn)質(zhì)量受控。

  5  分級(jí)燃燒使用效果分析

  以安徽海螺集團(tuán)為例，分級(jí)燃燒技術(shù)改造后各生產(chǎn)線運(yùn)行情況良好，脫硝效果明顯，南京院分解爐脫硝效率約為30%，成都院分解爐約為40%，天津院分解爐約為25%。三種爐型生產(chǎn)線改造前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見表1。

  6 總 結(jié)

  根據(jù)不同窯爐系統(tǒng)分級(jí)燃燒技術(shù)應(yīng)用實(shí)際情況，得出以下結(jié)論：

  （1）分級(jí)燃燒技術(shù)改造脫硝效果明顯，NOx減排效率平均在30%左右（特別是對(duì)分解爐爐容較大的生產(chǎn)線脫硝效率更加明顯），且改造后不影熟料產(chǎn)質(zhì)量，未發(fā)現(xiàn)窯尾煙室、分解爐等部位有結(jié)皮現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定；

  （2）改造后改變傳統(tǒng)大風(fēng)大料操作思路，主要運(yùn)行參數(shù)得到優(yōu)化，窯尾高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，預(yù)熱器出口溫度和負(fù)壓降低，熟料熱耗下降10-20Kcal/kg^-cl，由于系統(tǒng)用風(fēng)減少，熟料電耗也相應(yīng)有所降低；

  （3）窯尾煙室上升煙道以及分解爐下錐體的耐火材料改造效果較好，不易產(chǎn)生塌料現(xiàn)象，窯內(nèi)通風(fēng)更易于穩(wěn)定，窯尾負(fù)壓降低，且波動(dòng)幅度減小，較改造前穩(wěn)定；

  （4）窯頭、窯尾喂煤量比例對(duì)分級(jí)燃燒的NOx減排效果影響明顯，窯頭喂煤量減少，分解爐喂煤量增加，預(yù)熱器出口NOx濃度下降，反之，則上升；

  （5）通過對(duì)分解爐下部結(jié)構(gòu)改造和窯尾燃料的分級(jí)燃燒，構(gòu)建了還原區(qū)域，改善了窯內(nèi)的通風(fēng)，并通過流場(chǎng)的整形，創(chuàng)造了良好的脫硝空間，起到了較好的脫硝和運(yùn)行效果。

  7  問題與建議

  （1）分級(jí)燃燒技術(shù)改造后，中控操作主導(dǎo)觀念變化較大，操作上需要平衡產(chǎn)質(zhì)量與減排效果的關(guān)系，操作難度增加，需進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)管理及操作控制，減少系統(tǒng)用風(fēng)，嚴(yán)格控制窯尾的O2含量不高于3%，盡可能減少窯頭用煤；

  （2）技改實(shí)施過程中需要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙施工，確保設(shè)計(jì)思想和改造意圖得以充分體現(xiàn)和發(fā)揮，避免產(chǎn)生其它問題而影響生產(chǎn)，建議采用三次風(fēng)分風(fēng)分級(jí)燃燒改造與燃料分級(jí)燃燒改造同步實(shí)施，進(jìn)一步強(qiáng)化分級(jí)燃燒效果；

  （3）改造后需要注意窯尾SO₂排放是否會(huì)導(dǎo)致增加，并從理論上加以分析與解決，加強(qiáng)研究原燃材料成分、操作、配料以及原煤細(xì)度對(duì)降低NO_X的影響。

  8  水泥行業(yè)脫硝減排建議

  （1）國家應(yīng)從現(xiàn)實(shí)角度出發(fā)，制定切實(shí)可行的氮氧化合物減排標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的制定既要達(dá)到控制氮氧化合物排放目的，也應(yīng)符合目前的技術(shù)現(xiàn)狀。

  （2）采用和推廣低NOx燃燒技術(shù)。單純采用SNCR技術(shù)或SCR技術(shù)不是最有效的解決方案，這兩種技術(shù)存在的問題：一是大幅度提高企業(yè)的生產(chǎn)成本，二是需要消耗大量的氨水或尿素，這也是一種二次能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，其中SCR技術(shù)對(duì)水泥生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步探索。目前采用的低氮燃燒技術(shù)已通過實(shí)踐驗(yàn)證，節(jié)能減排效果明顯，值得行業(yè)推廣。正如中材國際工程股份有限公司總工程師，“全國工程勘察設(shè)計(jì)大師”蔡玉良所言：水泥行業(yè)脫硝應(yīng)以分級(jí)燃燒主，SNCR技術(shù)為輔，降低脫硝運(yùn)行成本，確保水泥企業(yè)能夠長(zhǎng)期有效的滿足氮氧化物減排的控制需要。

  （3）政府應(yīng)借鑒對(duì)燃煤發(fā)電廠的環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策，對(duì)實(shí)施脫硝改造的企業(yè)給予脫硝投資補(bǔ)貼及水泥產(chǎn)品銷售稅收適度減免政策，以調(diào)動(dòng)企業(yè)積極性，促進(jìn)全行業(yè)脫硝技術(shù)的快速發(fā)展。