回轉窯燃燒器降低氮氧化物機理分析

李　寧，趙　亮

回轉窯燃燒器降低氮氧化物機理分析

李寧1，趙亮2

回轉窯內的氮氧化物（NOX）生成量占水泥廠NOX總生成量的比例相對較小，且僅產生因窯內高溫而形成的熱力型NOX，并可通過正確選用燃燒器得到有效控制。本文通過闡述回轉窯內熱力型NOX的形成過程，以中材裝備集團有限公司的大推力燃燒器為例進行了機理分析。

回轉窯；燃燒器；氮氧化物

回轉窯內熟料的煅燒要求窯內必須保證一定的高溫，這種情況必然會產生NOX。在保證熟料產質量的同時，降低窯內NOX生成量是燃燒器技術的關鍵，采用合理的火焰溫度場分布，控制高溫峰值是行之有效的方法。

1　NOX的形成機理

1.1燃料燃燒機理

燃料在燃燒過程中將產生NOX，依據其形成機理可分為三種類型：

（1）熱力型NOX

通常把熱力型NOX稱為溫度型NOX，在溫度＜1 500K時，熱力型NOX的形成量極少，隨著溫度的升高，熱力型NOx的生成量將顯著上升。當溫度＞2 200K以后，形成的主要就是熱力型NOX。

其次，熱力型NOX的形成和空氣過剩系數也有很大關系，隨著氧氣含量的增加，在高溫下氧分子分解形成氧原子，引發NOX發生鏈式反應的幾率也大大增加。增加燃燒空氣的供應量通常會導致燃燒溫度的降低，因此可以認為在理想的燃燒條件下，僅當空氣過剩系數a接近等化學當量的條件時，熱力型NOx具有最大的形成速度。由于燃燒過程中總是燃料和空氣邊混合邊燃燒，因此在實際的擴散火焰中，最大的熱力型NOx形成量總是偏移出現在a＞1的區域內。

（2）快速型NOX

快速型NOX又稱為瞬時NOX，它的形成往往要求在火焰的鋒面上有大量的碳氫化合物作為反應物。通常條件下，快速型NOX的形成量占總NOX形成量的比例很小，一般≯1%，因此在技術分析過程中常常忽略快速型NOx的影響。

（3）燃料型NOx

溫度在1 100K以下時形成的NOX可以認為全部是燃料中的有機氮元素氧化形成的，通常對煤粉的燃燒過程來說，煤炭中的氮元素含量波動范圍在0.5%～2.5%之間，當燃燒溫度＞2 200K時，NOX總量中將不再有燃料型NOX的存在。

1.2燃料燃燒過程

煤粉的燃燒通常是以煤粉群的形式進行燃燒反應。其燃燒過程可以大致分為三個階段：

（1）煤粉的升溫過程。

（2）在較低的溫度下揮發分釋放并開始著火，依據著火的方式，可以分為揮發分穩定著火的均相著火和揮發分、半焦并行著火的非均相著火。

（3）揮發分完成燃燒后，焦炭持續燃燒直至結束。

煤粉燃燒的三個階段生成的主要是燃料型NOX和熱力型NOX，燃料型NOX主要出現在第二階段前期，這時揮發分大量釋放并迅速進行燃燒反應；以NH3和HCN形式釋放的中間物質和燃燒形成的活性基團快速完成反應形成燃料型NOX或者N2。隨著揮發分的燃燒以及周圍高溫煙氣對半焦顆粒的進一步加熱，焦炭開始著火，形成明顯的火焰面，碳原子的劇烈燃燒導致燃燒溫度迅速上升，此時在火焰鋒面及下游的附近區域內，熱力型NOX開始大量形成。隨著碳原子離開主燃燒區域進入燃盡階段，燃燒溫度相對較低，氧氣濃度也處于較低水平，這時焦炭表面一方面繼續形成焦炭NOX，同時也伴隨著NOX被焦炭還原分解的過程，導致NOX濃度的下降。

2　回轉窯內NOX的形成機理

水泥生產線上的NOX主要是由于燃料的燃燒形成的，NOX產生量和燃料的用量成比例關系增加，通常分解爐燃料用量占60%，回轉窯燃料用量占40%。分解爐中燃燒溫度相對較低，主要是燃料型NOX，回轉窯內主要是熱力型NOX。本文僅談回轉窯內的熱力型NOX。

不同種類的煤粉在回轉窯內燃燒形成的NOX分布是不一樣的，以中材裝備集團有限公司的大推力燃燒器為例，在軸流風速為310m/s時的工況下，模擬貧煤和煙煤的NOX分布以及溫度場分布情況見圖1和圖2。

圖1　不同煤種燃燒的NOX分布情況

圖2　不同煤種燃燒的溫度場分布情況

由圖1和圖2的對比可見，通過模擬計算回轉窯內的NOX分布與溫度場分布，結果對應度非常高。在火焰形成過程中，煤粉的揮發分燃燒區域和固定碳燃燒區域形成了兩個明顯的NOX高濃度區，前者為燃料中的有機N隨揮發分的析出而參與反應形成HCN、NO等中間相或終產物，后者則是隨著固定碳的燃燒形成的高溫區域產生大量熱力型NOX。

3　燃燒器降低NOX機理分析

針對窯頭燃燒器而言，回轉窯內以熱力型NOX為主，在滿足系統正常煅燒的情況下，唯一的措施就是控制窯內高溫區域峰值。

回轉窯燃燒器的火焰形狀與頭部結構及工況設置息息相關，通過設計合理的燃燒器可以改善火焰形狀，調節窯內溫度分布，從而達到降低溫度峰值、降低NOX排放的作用。

燃燒器的管道組成通常包括：軸流風（俗稱外風）、煤風、旋流風（俗稱內風）。一般而言，軸流風的風量和風速配置決定了火焰的著火和前端的擴散情況。在軸流風速一定的情況下，風量越大，則火焰形狀越集中、越細，相對著火時間也會延遲；風量越小，則火焰擴散能力越強，相對著火時間也會提前。

以中材裝備集團有限公司的大推力燃燒器為例，在軸流風速一定的情況下，工況1設定軸流風比例為51%，工況2設定軸流風比例為45%，兩種工況的模擬結果見圖3和圖4。可見大軸流風量下，火焰更加集中，著火速度更快，燃燒區域更集中。如果一味降低軸流風量，則火焰綿軟無力，煤粉燃燒速度過慢，煅燒不足。

圖3　溫度場分布情況

圖4　橫截面平均溫度分布

為了使燃燒器保持一定的推力，同時盡量減少過剩空氣量，唯一的辦法就是提高風速，尤其是外風的風速。而對于不同煤種的煅燒，其對風速和風量的要求也不同。

回轉窯內主要是因高溫煅燒而形成的熱力型NOX，因此，窯頭燃燒器降低NOX的唯一辦法就是降低固定碳燃燒區域熱量的集中釋放，無論從徑向還是軸向上都達到溫度的均勻分布，以實現NOX低排放的目的。

回轉窯內的煤粉在保證充分燃燒的同時還要求有均勻的溫度場分布，燃燒器設計必須做到針對性、個性化。不同的煤粉，其燃燒特性各不相同，煤粉的燃盡時間、著火點、放熱峰值、放熱強度等直接影響了其燃燒時的熱力分布情況。只有做到將燃燒器的設計與煤粉的燃燒特性相匹配，才能更好地實現煅燒與NOX低排放的目的。

中材裝備集團有限公司燃燒器研究所能分析不同煤粉的燃燒特性，真正做到了針對性的設計。燃燒器軸流風最高風速可達330m/s（通過可壓縮流流體計算得到），將整體燃燒器推力提升至1 500～1 800%m/s。同時，更高的軸流風速能加大對二次風的卷吸力度，進一步強化著火，降低固定碳燃燒區域的熱釋放，使溫度場分布更加均勻，從而有效地降低熱力型NOX的產生。

同一組煤粉參數以大推力燃燒器（工況1）和傳統燃燒器（工況2）進行模擬對比，其結果見圖5、圖6和圖7，數據對比見表1。

圖5　溫度場分布情況

圖6　橫截面平均溫度分布

圖7　橫截面最高溫度分布

表1　最高溫度分布

通過對比可以發現，大推力燃燒器著火較強，著火后火焰均勻燃燒，帶動固定碳部分進一步燃燒放熱，整體放熱區域均勻，同時火焰較短，其中在窯軸向17m的位置完成熱量釋放，較好地實現了熟料的煅燒。而傳統燃燒器，燃燒區域相對集中，在揮發分及固定碳燃燒區域均存在集中燃燒區域，溫度峰值高，火焰偏細長，擴散不足，同時易產生高NOX量。

4　結語

綜上所述，只有做到將回轉窯燃燒器的設計與煤粉的燃燒特性相匹配，才能有效地降低回轉窯內NOX形成量，并且盡可能地使火焰溫度均勻化，控制火焰高溫峰值，以達到降低熱力型NOX的目的。簡單而言，煅燒煙煤時要求相對高的軸流風量和中等的風速，煅燒無煙煤時則需要相對較低的風量和較高的軸流風速。中材裝備集團有限公司的燃燒器針對不同煤粉做出了個性化的設計，真正達到了與煤粉燃燒特性相匹配的要求，其在火焰形狀控制、NOX控制方面有較大的優勢，同時較短粗的火焰更加符合目前大部分廠家追求的薄料快燒的操作理念，有利于節能降耗，提高水泥質量。■

Mechanism Analysis of NOXReduction in Kiln Burner

TQ172.625.3

A

1001-6171（2016）06-0040-03

通訊地址：1中材裝備集團有限公司，天津300400；2天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；

2016-04-12；編輯：趙星環