水泥窯分級燃燒脫硝技術(shù)優(yōu)化效果分析

張長樂，盛趙寶，宗青松，凌庭生

水泥窯分級燃燒脫硝技術(shù)優(yōu)化效果分析

Optimization Effect Analysis of Cement Kiln Staged Combustion Denitration Technology

張長樂，盛趙寶，宗青松，凌庭生

1　前言

水泥窯分級燃燒減排NOx技術(shù)是通過對窯尾分解爐的溫度場、流場和化學反應及分解爐結(jié)構(gòu)、煤粉分級燃燒等的綜合研究，實現(xiàn)降低NOx排放濃度的有效方法。其減排效率可以達到30%左右，5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線年減排NOx量可達到1100t左右。減少污染物排放可獲得顯著的環(huán)境效益，同時優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯的運行條件（減少煅燒系統(tǒng)引入干擾），降低企業(yè)生產(chǎn)運行成本（可大量減少額外的非碳系還原劑的使用）。

分級燃燒減排NOx技術(shù)在國外多有應用，KHD、FLS、POLYSIUS以及KHI等水泥裝備公司是主要的技術(shù)設(shè)備提供廠家。由于對操作條件要求較高，該技術(shù)在實際應用過程中容易造成煅燒系統(tǒng)特定溫度區(qū)的結(jié)皮，系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行，脫硝效率也僅20%左右。

分級燃燒減排NOx技術(shù)的優(yōu)化主要是通過分解爐的結(jié)構(gòu)、流場、溫度場及煤粉燃燒點位置的調(diào)整，燃燒器本體的開發(fā)，三次風入口形狀、風速等方面的系統(tǒng)研究與開發(fā)，提高脫硝效率，消除系統(tǒng)結(jié)皮，保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

2　技術(shù)路線

2.1技術(shù)路線與工作原理

分級燃燒脫硝的基本原理是在煙室和分解爐之間建立還原燃燒區(qū)，將原分解爐用煤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，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，從而實現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的NOx減排。其主要反應如下：

2.2擬解決的關(guān)鍵問題

（1）煅燒系統(tǒng)運行不穩(wěn)定：以往的分級燃燒技術(shù)存在的系統(tǒng)結(jié)皮，窯況不穩(wěn)定的問題；

（2）脫硝效率不高：即提高實際脫硝效率，目標30%左右，爭取達到40%左右。

圖1　分級燃燒脫硝技術(shù)改造三維效果圖

3　技術(shù)關(guān)鍵與難點

降低氮氧化物排放濃度的分級燃燒技術(shù)的優(yōu)化，需要考慮的關(guān)鍵因素主要包括：

3.1分解爐內(nèi)部流場

由于分解爐中有物料流、煤粉流、氣流，且有物料反應，加之溫度場、速度場時刻變化，所以弄清楚分解爐內(nèi)流場非常困難；優(yōu)化中噴煤風、三次風、窯尾風速度流場的調(diào)整改造難度大，優(yōu)化設(shè)計應保證物料流、氣流的充分混合和脫硝還原區(qū)的穩(wěn)定。

3.2分解爐內(nèi)分級燃燒接入點的布置

分級燃燒接入點的位置、角度以及進入分解爐的速度都是影響脫硝效果的關(guān)鍵因素，優(yōu)化設(shè)計應保證不會造成分解爐局部高溫結(jié)皮。

3.3運行干擾

煅燒系統(tǒng)應優(yōu)先考慮產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，不能出現(xiàn)因分解爐煤粉分級燃燒造成水泥熟料的質(zhì)量偏差。

3.4工程造價控制

優(yōu)化改造應考慮盡量縮短施工工期，降低改造成本，保證影響生產(chǎn)線運行影響最小。

圖2　不同截面高度和XZ、YZ面上CO濃度分布

圖3　分解爐高度截面上CO含量分布云圖

4　技術(shù)方案

（1）對窯尾煙室入爐煙氣進行整流，將窯尾上升煙道改造成方形，并將上升煙道的直段延長，使窯內(nèi)煙氣入爐流場穩(wěn)定，控制入爐風速。

（2）在上升煙道與分解爐錐部連接處設(shè)計弧面揚料臺，防止塌料現(xiàn)象發(fā)生，同時便利生料與氣流的混合。

（3）在分解爐錐部設(shè)計脫氮還原區(qū)，將分解爐煤粉分4點、上下2層喂入，增加燃燒空間；在分解爐錐部造成有效的還原區(qū)（欠氧燃燒產(chǎn)生還原氣氛），還原窯尾煙氣中大量的NOx，保證脫硝效率。

（4）參照原系統(tǒng)的運行狀況，調(diào)整C4下料點位置，使生料沿分解爐錐體內(nèi)部下滑，避免分解爐錐部產(chǎn)生高溫結(jié)皮。

（5）參照原系統(tǒng)三次風入爐速度和流場分布，調(diào)整三次風入口面積大小和入爐風速。

（6）適當降低窯內(nèi)通風和喂煤量，增加三次風量和分解爐喂煤量，盡量降低窯內(nèi)過?？諝庀禂?shù)，控制窯尾氧含量在23%，減少熱力型NOx的生成；降低系統(tǒng)高溫風機轉(zhuǎn)速，盡量減少系統(tǒng)用風，在保證脫硝效率的同時可降低熟料燒成熱耗，減小系統(tǒng)阻力。

分級燃燒脫硝技術(shù)三維效果圖如圖1。

5　技術(shù)可行性

為論證技術(shù)優(yōu)化的可行性，首先以CFD模擬技術(shù)分析分級燃燒技術(shù)優(yōu)化方案，然后利用CFD模擬分析結(jié)果，選擇三條不同爐型的水泥熟料生產(chǎn)線進行了脫硝效果的實際驗證。

5.1CFD數(shù)值模擬

應用計算機流體模擬技術(shù)（CFD）模擬研究了分解爐內(nèi)部的燃燒、分解過程，預測了氣體或物料流動、溫度分布以及O2、CO2、NO等氣體濃度分布情況，作為技術(shù)優(yōu)化的依據(jù)。

（1）CO濃度分布

分解爐內(nèi)CO的產(chǎn)生主要由于煤粉的燃燒過程，隨著煤粉的噴入燃燒，CO含量有所增加，隨著高度增加以及CO的進一步氧化，CO濃度逐漸減少。分解爐不同高度、截面CO含量見圖2、3。

分解爐內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)分布如圖4。數(shù)值模擬計算參數(shù)：窯尾煙氣的NOx含量1180ppm，占窯尾煙氣的體積比約0.118%；煤粉中的N元素含量占煤粉總量1%；三次風和送煤風均取自空氣。

（2）NOx濃度變化

采用分級燃燒分解爐內(nèi)NOx不同截面的分布如圖5，總體分布云圖——被還原（圖5a）和無還原（圖5b）狀態(tài)。

分解爐內(nèi)產(chǎn)生還原反應時，不同高度上的NOx含量分布如圖6。圖中顯示，窯尾煙氣進入分解爐中的NOx含量較高（NO為1180ppm），隨著三次風的送入，NOx濃度降低（NO約550ppm）。煤粉分級燃燒改造后，煤粉燃燒部分區(qū)域出現(xiàn)NOx還原區(qū)（CO含量為5000～20000ppm，NO含量為500～700ppm），還原后分解爐的出口NO含量為459.7ppm，模擬演示的脫硝效率高達60%。

圖4　分解爐內(nèi)CO分布

6　預期目標

（1）典型項目技術(shù)改造后生產(chǎn)線NOx排放濃度降到500～550mg/m3（標）（10%O2），脫氮效率30%～40%；

（2）對水泥窯、分級燃燒工藝進行適應性研究，確保水泥熟料生產(chǎn)線運行可靠穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)運行對水泥熟料生產(chǎn)線運行的擾動最小。

7　效果驗證

圖5　a還原后不同高度面上和ZY、ZX截面NOx含量分布

圖5　b無還原不同高度面上和ZY、ZX截面NOx含量分布

圖6　不同高度面上NOx含量分布

表1　改造前后運行參數(shù)對比表*

分解爐分級燃燒脫硝技術(shù)改造有效構(gòu)建了NOx還原區(qū)域，改善了窯內(nèi)通風，通過優(yōu)化操作，在穩(wěn)定運行的條件下達到了良好的脫硝效果：因分解爐爐型、原燃料情況及操作習慣不同，分級燃燒技術(shù)+低氮燃燒器的脫硝效率可達30%～40%，NOx排放濃度可低至500mg/m3（標）。效果驗證數(shù)據(jù)見表1。

由表1可見，wh-c1號線、jd-c1號線、cq-c1號線水泥熟料生產(chǎn)線分級燃燒改造的脫硝效率均達到了設(shè)計指標。分析結(jié)論如下：

（1）分級燃燒技術(shù)優(yōu)化改造后，NOx減排效率平均為30%～40%，較大爐容分解爐的脫硝效率較高。優(yōu)化改造后，系統(tǒng)運行、熟料產(chǎn)量穩(wěn)定，窯尾煙室、分解爐等部位未見結(jié)皮。

（2）優(yōu)化改造后系統(tǒng)操作參數(shù)變化大：窯尾高溫風機轉(zhuǎn)速下降1030r/ min，系統(tǒng)用風減少，電耗平均降低0.5kWh/t左右；預熱器出口溫度下降1020℃，負壓降低300～600Pa，熟料熱耗下降1718kJ/kg。

（3）窯尾煙室上升煙道及分解爐下錐體改造效果良好，塌料現(xiàn)象大幅緩解；窯尾負壓降低，波動減小，窯內(nèi)通風及窯況更趨穩(wěn)定。

（4）低氮燃燒技術(shù)無運行成本、見效快，長期效益顯著。對比SNCR及SCR脫硝技術(shù)，對水泥生產(chǎn)工藝系統(tǒng)影響輕微，沒有二次污染，可作為水泥行業(yè)首選的NOx脫硝減排技術(shù)。

TQ172.622.29文獻標識碼：A

1001-6171（2015）01-0095-04

通訊地址：安徽海螺建材設(shè)計研究院，安徽蕪湖241070；

2014-05-21；編輯：呂光