活性石灰窯低氮燃燒技術(shù)

謝斌

摘 要：本文重點(diǎn)介紹了無焰燃燒、低NOx燃燒器、分級燃燒等低氮燃燒技術(shù)在活性石灰窯上的應(yīng)用。環(huán)形套筒窯下燃燒室采用高效噴射、結(jié)合工藝調(diào)整可實(shí)現(xiàn)無焰燃燒，避免局部高溫區(qū)的形成，提高下燃燒室及下拱橋的使用壽命，并抑制熱力型NOx的生成。在此基礎(chǔ)上，采用CFD技術(shù)對上燃燒室燃燒器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在不提高燃燒室溫度的前提下，有效增加燃料燃燼率?；剞D(zhuǎn)窯采用分級燃燒技術(shù)可降低窯內(nèi)的燃燒溫度，減少結(jié)圈形成，窯尾煙室的還原性氣氛有利于還原煙氣中的NOx。

關(guān)鍵詞：活性石灰窯；高效噴射；無焰燃燒；分級燃燒；低NOx燃燒器

Abstract：Flameless combustion， low NOx burner and staged combustion of active lime kiln are mainly introduced in this paper. Annular shaft kiln down-combustion chamber adopting high efficient injection and process adjustment can realize flameless combustion， which can avoid local high temperature， improve the service life of combustion chamber and arch bridge， and inhibit the production of thermal NOx. CFD technology was applied to optimize the up-combustion burner to increase the fuel burnout rate， meanwhile， the chamber temperature keep the same level. Rotary kiln adopts staged combustion technology can decrease the combustion temperature and reduce the ringing formation. The reducing atmosphere of flue chamber is beneficial to reduction of NOx in flue gas.

Key words：Active lime kiln；High efficient jet；Flameless combustion；Staged combustion；Low NOx burner

1 前言

石灰作為一種重要的電石生產(chǎn)原料，是決定電石質(zhì)量的關(guān)鍵因素，高活性的石灰可以降低電石生產(chǎn)中的電耗，提高電石產(chǎn)品品位[1]。為加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和淘汰落后產(chǎn)能，國家先后出臺多項(xiàng)政策，限制和淘汰規(guī)模小、能耗高、污染嚴(yán)重的敞開式電石爐，鼓勵(lì)推廣密閉爐[2]。隨著這一產(chǎn)業(yè)政策的推出，石灰產(chǎn)品質(zhì)量好、活性度高的環(huán)形套筒窯和回轉(zhuǎn)窯在電石行業(yè)得到大規(guī)模的發(fā)展。

隨著國家環(huán)保節(jié)能及可持續(xù)性發(fā)展經(jīng)濟(jì)政策的強(qiáng)力推進(jìn)，降低環(huán)形套筒窯和回轉(zhuǎn)窯在生產(chǎn)過程中的煙氣污染物含量已迫在眉睫。近年來，國內(nèi)活性石灰窯設(shè)計(jì)研發(fā)單位整合自身在研發(fā)、設(shè)計(jì)、調(diào)試上的優(yōu)勢，推出了套筒窯無焰燃燒技術(shù)、低氮燃燒器、回轉(zhuǎn)窯分級燃燒技術(shù)，為活性石灰窯的技術(shù)革新、環(huán)境相容性提供了新的技術(shù)發(fā)展方向。

2 環(huán)形套筒窯中低NOx燃燒技術(shù)

2.1 無焰燃燒

傳統(tǒng)套筒窯一般采用有焰燃燒的方式，生產(chǎn)過程中容易造成局部高溫區(qū)及低溫區(qū)，導(dǎo)致石灰質(zhì)量參差不齊，嚴(yán)重的會(huì)損壞耐材。

無焰燃燒技術(shù)基本思想是讓燃料在高溫低氧濃度氣氛中燃燒[3]，其包含兩項(xiàng)基本技術(shù)措施：一項(xiàng)是采用熱回收系統(tǒng)，提高助燃或燃?xì)獾娘@熱，另一項(xiàng)是將燃燒過的煙氣卷入燃燒室，稀釋反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度，獲得濃度3%～15%的低氧氣氛[4]。燃料在這種高溫低氧氣氛中，形成與傳統(tǒng)燃燒過程完全不同的熱力學(xué)條件，在與貧氧氣體作延緩狀燃燒下釋放出能量，不出現(xiàn)傳統(tǒng)燃燒過程中出現(xiàn)的局部高溫高氧區(qū)。這種燃燒是一種動(dòng)態(tài)反應(yīng)，不具備靜態(tài)火焰。它具有高效節(jié)能和超低NOx排放等多種優(yōu)點(diǎn)，又被稱為環(huán)境協(xié)調(diào)型燃燒技術(shù)[5～7]。

環(huán)形套筒窯無焰燃燒[8]是通過高速的燃料射流和高溫低氧的燃燒環(huán)境，在燃燒器噴嘴出口形成了一個(gè)較大的錐形低溫稀釋區(qū)，區(qū)域周圍的循環(huán)煙氣不斷被卷吸，對未燃?xì)膺M(jìn)行稀釋混合。由于湍流輸運(yùn)和擴(kuò)散過程引起的熱交換、耐材和高溫?zé)煔獾妮椛湟约胺磻?yīng)放熱，未燃?xì)鉁囟炔粩嗵嵘?，在循環(huán)氣體切向進(jìn)入形成的旋流與周圍煙氣之間的剪切層以及射流下游，溫度升至1000℃左右，而整個(gè)燃燒空間中氧氣的體積分?jǐn)?shù)不到10%，從而可以消除明顯的火焰前沿。整個(gè)溫度場溫度低于1200℃，沒有集中的高溫反應(yīng)區(qū)。由于燃燒反應(yīng)的分散、燃燒峰值溫度的降低，使得熱力型NOx大大降低。

環(huán)形套筒窯無焰燃燒技術(shù)多指下燃燒室實(shí)現(xiàn)無焰燃燒狀態(tài)。在下燃燒室實(shí)現(xiàn)無焰燃燒，具有如下的特點(diǎn)：

①下燃燒室采用高效噴射技術(shù)[9]，在基本不增加驅(qū)動(dòng)空氣引射源流量的情況下大大增強(qiáng)引射動(dòng)力，使得更多的回流煙氣以旋流卷入式的方式參與燃燒。由于循環(huán)煙氣本身的高溫及低氧氣氛特征，采取高效噴射技術(shù)，為無焰燃燒創(chuàng)造了基本條件。

②下燃燒室的助燃空氣主要由來自于冷卻下內(nèi)套筒的一次空氣、來自于空氣換熱器換熱后的二次空氣以及用于冷卻石灰后的三次空氣組成。在整體空氣過剩系數(shù)保證的前提下，關(guān)閉下燃燒室的一次空氣，可有效提高燃燒前混合物的溫度及氧含量。

③無焰燃燒屬擴(kuò)散控制反應(yīng)，有良好的熱力學(xué)條件，無局部高溫高氧區(qū)，火焰體積大，亮度低，顏色淺，爐內(nèi)溫度分布均勻，為耐火材料創(chuàng)造了健康的使用環(huán)境。下燃燒室實(shí)現(xiàn)無焰燃燒，有效提高了下燃燒室、下拱橋的使用壽命及整個(gè)環(huán)形套筒窯內(nèi)襯的大修周期。

④進(jìn)一步采取燃?xì)忸A(yù)熱技術(shù)，例如采取煙氣-煤氣換熱器[10]，將更有利于提高無焰燃燒的效率及穩(wěn)定性。

⑤無焰燃燒技術(shù)可以避免傳統(tǒng)燃燒過程中出現(xiàn)的局部高溫高氧區(qū)，有效的降低了熱力型NOx的生成。

2.2 上燃燒室低NOx燃燒器

環(huán)形套筒窯采用上燃燒室欠氧燃燒與下燃燒室過氧燃燒有機(jī)結(jié)合的方式對產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)施有效控制，但欠氧燃燒必然導(dǎo)致未完全燃燒的燃?xì)膺M(jìn)入料層進(jìn)行燃燒放熱，并且未燃燼的燃?xì)饪赡苤苯咏?jīng)上內(nèi)套筒而后進(jìn)入換熱器；另一方面未燃燼的燃?xì)膺M(jìn)入預(yù)熱帶后因煙氣溫度的降低而無法繼續(xù)燃燒，導(dǎo)致套筒窯煙氣中CO含量較高，這不僅造成環(huán)境污染，更是導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)。

基于此，采用CFD對傳統(tǒng)的上燃燒器及新型低NOx燃燒器進(jìn)行了數(shù)值模擬，在不改變?nèi)細(xì)饬康幕A(chǔ)上提高上燃燒室的燃燼率，進(jìn)而達(dá)到降低污染物排放濃度、降低產(chǎn)品單位熱耗。

2.2.1 計(jì)算模型

以產(chǎn)量600TPD、熱耗950 kCal/kg、轉(zhuǎn)爐煤氣熱值1777.4kCal/Nm3為計(jì)算條件，計(jì)算得到單個(gè)上燃燒室所需轉(zhuǎn)爐煤氣量為636.3Nm3/h，根據(jù)理論燃燒溫度的計(jì)算公式，控制其理論燃燒溫度為1300℃左右，上燃燒室采用欠氧燃燒的方式，同時(shí)考慮熱損失系數(shù)0.1，計(jì)算得到其配風(fēng)系數(shù)為0.488，單個(gè)上燃燒室所需總助燃風(fēng)為428.8Nm3/h。燃燒室尺寸設(shè)置為Φ1000×5000mm，模擬計(jì)算中延長燃燒室長度的目的在于消除燃燒室出口回流對燃燒室溫度場的影響。

計(jì)算模型A采用傳統(tǒng)燃燒器，如圖3（a）所示，轉(zhuǎn)爐煤氣流量為636.3 Nm3/h；計(jì)算模型B采用低NOx燃燒器，如圖3（b）所示，由中心燒嘴與行星燒嘴組成，中心轉(zhuǎn)爐煤氣的流量為103.9 Nm3/h，外側(cè)轉(zhuǎn)爐煤氣流量為532.4 Nm3/h。

2.2.2 結(jié)果分析

上燃燒室X=0截面溫度場分布如圖4所示，各關(guān)鍵位置溫度值如表1所示。

對比模型A、B的壁面峰值溫度，結(jié)合X=0截面溫度場分布，可以看出，采用燃?xì)夥旨壭腿紵骱螅紵冶诿娣逯禍囟扔忻黠@的下降，其主要原因在于分級后低溫的燃?xì)鈱Ρ诿嬗幸欢ǖ睦鋮s保護(hù)作用。模型A中壁面峰值溫度位于燃燒器出口附近，即接近燃燒器面板附近，而B的壁面峰值溫度出現(xiàn)在燃燒室出口附近，這是因?yàn)榉旨壓蟮耐馊θ細(xì)鈱Ρ诿娴谋Ｗo(hù)，至燃燒室出口處，外圈燃?xì)馀c氧氣接觸逐步燃燒放熱。模型B的火焰峰值溫度較A有明顯的提高，這是因?yàn)锽中心燃?xì)獾目諝膺^剩系數(shù)較大，燃?xì)鈱儆谶^氧燃燒，火焰峰值溫度與傳統(tǒng)燃燒基本一致。同時(shí)，燃?xì)夥旨壓?，由于燃燒器周圍分級燃?xì)獾囊渥饔?，可以卷吸一部分主燃?xì)獾膹U氣重新參與燃燒，從而更有效的提高了燃?xì)獾娜紶a率。

通過上述分級燃燒器的模擬結(jié)果顯示，燃?xì)夥旨壓?，可以明顯的降低燃燒室的壁面溫度，對耐材起到了一定的保護(hù)作用。同時(shí)由于分級燃?xì)庵車纬傻倪€原性氣氛可以有效的抑制主燃?xì)馊紵龝r(shí)的NOx生成，從而降低了NOx的排放量。

2.3 套筒窯NOx實(shí)際排放量檢測及對比

表2列舉了采用無焰燃燒及上燃燒室低氮燃燒器等技術(shù)的環(huán)形套筒窯與傳統(tǒng)套筒窯的煙氣檢測結(jié)果。從檢測數(shù)據(jù)可以看出采用高效噴射技術(shù)形成無焰燃燒并采用新型低氮燃燒器的環(huán)形套筒窯在降低NOx排放上的優(yōu)勢。

3 石灰回轉(zhuǎn)窯低NOx燃燒技術(shù)

回轉(zhuǎn)窯是最早開發(fā)的大型石灰生產(chǎn)窯爐，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[11]。降低石灰回轉(zhuǎn)窯窯尾NOx的排放量通常通過兩種方式：一方面在窯頭采用一次風(fēng)推力強(qiáng)、二次風(fēng)利用率高的低NOx燃燒器[12]；另一方面采用燃料分級燃燒技術(shù)來進(jìn)一步降低回轉(zhuǎn)窯NOx排放量。

回轉(zhuǎn)窯分級燃燒技術(shù)，是通過分配一部分燃料到回轉(zhuǎn)窯窯尾煙室內(nèi)燃燒，提高預(yù)熱器內(nèi)石灰石的預(yù)熱溫度，減少回轉(zhuǎn)窯窯頭燃燒器的燃料量，從而降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒溫度，使燃燒溫度低于石灰石雜質(zhì)、煤灰的熔融溫度，避免低共熔物的形成，從而大大減少煤結(jié)圈的形成。同時(shí)，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場的整體溫度下降，將減少煤粉燃燒過程產(chǎn)生的熱力型NOx的量。

3.1 燃料分級燃燒

將5～30%的煤粉送入窯尾煙室內(nèi)燃燒，有利于提高預(yù)熱器內(nèi)石灰石的預(yù)熱溫度，使石灰石在預(yù)熱器內(nèi)發(fā)生部分分解。原料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后，進(jìn)一步吸收熱量完成分解過程并生成石灰。70～95%的煤粉從回轉(zhuǎn)窯窯頭燃燒器送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒，對已經(jīng)發(fā)生部分分解的石灰石進(jìn)行煅燒。這部分煤粉燃燒所需的空氣量來自回轉(zhuǎn)窯燒嘴助燃風(fēng)、煤粉輸送風(fēng)、窯頭石灰冷卻器內(nèi)的石灰冷卻風(fēng)。

燃料分級后，不僅有利于提高燃料的燃燼率，同時(shí)燃料量下降和大量的石灰石冷卻風(fēng)參與燃燒有利于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)整體溫度下降且能形成更加均勻的溫度場，筒體溫度亦相應(yīng)的降低，回轉(zhuǎn)窯筒體輻射散熱量也相應(yīng)的降低，即燃燼率的提高和熱損失的減少降低了整個(gè)石灰回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熱耗。

3.2 分級燃燒技術(shù)的成效

采用燃料分級燃燒技術(shù)后，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場的整體溫度下降。預(yù)熱器內(nèi)燃料所處的環(huán)境為還原性氣氛，燃料在低氧的環(huán)境中燃燒產(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)，將部分NOx還原成N2。此外，燃料在缺氧條件下燃燒也抑制了燃料型NOx產(chǎn)生，從而大大減少了回轉(zhuǎn)窯NOx排放量。

4 結(jié)論

①高效噴射技術(shù)使環(huán)形套筒窯并流煅燒工藝得到了新的注釋，循環(huán)氣體量的增加不僅提高了煅燒產(chǎn)品的品質(zhì)，而且使窯內(nèi)的蓄熱量增加，窯頂及出灰溫度降低，降低系統(tǒng)熱耗。

②無焰燃燒技術(shù)可以消除明顯的火焰前沿，燃燒室內(nèi)溫度低于1200℃，沒有局部高溫去，由于燃燒反應(yīng)的分散、燃燒峰值溫度的降低，大大減少熱力型NOx的生成量。

③通過在上燃燒室使用低NOx燃燒器，能夠在滿足上燃燒室欠氧燃燒的工藝條件下，提高燃料燃燼率，避免燃燒室溫度超出耐材能夠承受的范圍，實(shí)現(xiàn)安全可靠的低NOx燃燒。

④在石灰回轉(zhuǎn)窯上采用分級燃燒技術(shù)，可以降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火焰強(qiáng)度，避免窯內(nèi)低共熔物的形成，減少結(jié)圈，有利于減少熱力型NOx的生成，同時(shí)，窯尾煙室的燃料二次燃燒，創(chuàng)造還原性氣氛有利于還原窯內(nèi)煙氣已生成的NOx。

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