低氮燃燒的關鍵是窯爐還原氣氛的控制

趙玲彩 楊恒杰 沈文婷

（北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024）

低氮燃燒的關鍵是窯爐還原氣氛的控制

趙玲彩 楊恒杰 沈文婷

（北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024）

本文從氧化還原反應的基本原理入手，通過詳細闡述水泥窯爐低氮燃燒的系統控制及氧化還原反應氣氛控制的若干種途徑，指出了水泥窯爐低氮燃燒技術中的分級燃燒和再燃脫銷技術的實質是窯爐內還原氣氛的控制。

低氮燃燒；還原氣氛控制；分級燃燒；再燃脫硝

低氮燃燒的關鍵是窯爐還原氣氛的控制,而低氮燃燒技術中的分級燃燒和再燃脫硝技術的出發點和歸宿也都是窯爐還原氣氛的控制，同時這也是判定分級燃燒和再燃脫硝是否成功的標準[1]。窯爐的還原氣氛控制是我們在推動低氮燃燒時必須牢牢把握的基本原則。遵循這一原則，就可以有效降低煙氣中的氮氧化物。在水泥窯爐上低氮燃燒，雖然有一些成功的實踐，但從整體而言，無論是實踐上還是理論上，還存在爭議。空氣分級燃燒和燃料分級燃燒合理注入點的選取和各自比例的優化分配；通過優化注入點或注入比例，達到窯爐內特定還原氣氛區域的擴大和還原氣氛的強化，為燒煤水泥窯爐氮氧化物的削減，創造充分和必要的條件。

1 氧化還原反應的基本化學原理

水泥行業和電力、化工等煙氣脫硝的先行行業，在大量的工業窯爐煙氣脫硝的實踐中，充分反映出影響氧化還原化學反應的兩個基本原理。1）氣氛決定氧化/還原化學反應的方向，而溫度決定氧化/還原化學反應的速度。前者是氧化或還原反應內在的物質條件，后者是氧化或還原反應外在的環境條件；2）氧化/還原反應的氣氛，不僅取決于氧化或還原物質的摩爾比，也取決于其各自的化學反應活性[2]。如果說摩爾比是氧化/還原反應的基本數量上的比例要求，而化學反應活性則是氧化/還原反應物質的質量方面的門檻要求。對于水泥生產線的低氮燃燒而言，要考慮反應區域的氣氛。在化學氣氛有利于我們所需的化學反應時，可通過提高溫度來加速我們所期望的化學反應的進行。通過對于溫度和化學氣氛的有效調控，可對氧化還原反應實現有效調控，控制氧化還原反應的激烈程度和化學反應方向。同時，我們對于某一區域氣氛的判斷，不僅僅是該區域內氧化與還原物質的多寡比較，還要更多的考慮氧化物質和還原物質的化學活性，一些化學反應活性差的物質，因為通不過“門檻”標準，即使是在溫度較高的化學反應條件下，也根本不可能參與我們所期望的化學反應，只能視為不參與反應的惰性物質。因此，除了氧化、還原物質的摩爾比以外，我們還可以通過強化或弱化某一物質的化學反應活性，來影響窯爐的某一特定區域的氧化或還原氣氛，調控氧化或還原反應的方向和速率。

2 低氮燃燒系統控制

可使用圖1反映水泥窯爐低氮燃燒的系統控制過程。

圖1 水泥窯爐低氮燃燒控制系統

3 氧化還原反應氣氛控制的途徑

3.1 還原物質與氧化物質的比例控制

如圖1所示。煤粉在回轉窯內停留時，均保持在較高溫度的煙氣中，燃燒器強力空氣的噴吹旋噴轉動量，使煙氣呈強烈的湍流狀態，造就了煤粉與助燃空氣的快速充分混合，在放出大量熱量的同時，煤粉可以實現完全燃燒生成CO2+H2O或不完全燃燒生成CO+HXCX。因此只要將窯尾的過?？諝庀禂悼刂圃?.92-0.98（當然不可過低，以免形成較強的還原煙氣，甚至一些煤粉根本未燃燒就排出回轉窯外，造成窯尾煙室和縮口等處的還原燃燒導致粘結和堵塞），則可以將回轉窯中后部相當大的區域有效控制為還原氣氛。而還原氮氧化物之后多余的CO+HXCX，則可以在之后進入分解爐和旋風預熱器系統，最后在分解爐出口處，依靠之后空氣分級燃燒再次注入的富裕的助燃空氣稀釋還原物質，將過剩空氣系數調整到大于1.0的微氧化狀態，實現完全燃燒，而不至因化學不完全燃燒而導致水泥熟料燒成熱耗的無謂升高。

在分解爐、預熱器系統中，其溫度場和氣流場與回轉窯不同，作為一種固定設備，很易實現回轉窯根本不可能做到的燃料和助燃空氣的多點注入和各點比例的按需分配，實現注入量的優化靈活控制。所謂的助燃空氣的分級燃燒，就是將分解爐20%-30%的助燃空氣，從主燃燒器的影響區域內移出，而轉移至分解爐中上部。對于分解爐而言，通過助燃空氣的分級注入和燃燒，就形成中下部和中上部兩個不同的區域，中下部按照完全燃燒計算得出的氧化物質與還原物質的摩爾比，還原物質占優勢，過剩空氣系數約在0.8-0.9。在RSP分解爐1200℃-1300℃的溫度場里，比例偏高的煤粉在與高溫助燃空氣的充分混合，造就了部分因不完全燃燒轉化為氣態的碳氫化物CO+HXCX的良好條件，這樣就在分解爐的中下部，人為的創造了一片可以充分還原氮氧化物的還原區域，促成了氮氧化物的還原。而沒有充分燃燒的殘留碳氫化物，在富裕的助燃空氣注入分解爐的上部以后，可以在分解爐的上部，甚至鵝頸管中實現完全燃燒，因此就可以在保證水泥熟料煅燒質量和產量，不額外增加水泥熟料燒成熱耗的前提下，大幅度降低煙氣中氮氧化物的排放。

因此在窯頭精準控制煤粉與助燃空氣的比例；而在分解爐內，則在主燃燒器的影響區域，將20-30%的助燃空氣移至分解爐中上部，并改善一系列促進煤粉燃燒的技術措施，就有可能在主要氮氧化物生成區域——回轉窯窯頭和分解爐主燃燒器影響區域的后面，造就一個具有較強還原能力的區域，最終控制煙氣中的氮氧化物的含量[3]。

3.2 在特定區域內提高化學反應活性較低的煤粉向化學反應較高的氣態碳氫化合物的轉化率

提高化學反應活性較低的煤粉向化學反應活性較高的CO+HXCX的轉化率大致有兩種途徑。

1）煤粉分級燃燒是通過提前注入部分煤粉的方式，提高煤粉在分解爐內的平均停留時間，在分解爐主燃燒器上游的適當部位注入少量煤粉，將使這部分煤粉利用窯內過剩空氣提前不完全燃燒，進而少許提高主燃燒器燃燒區域的燃燒溫度，從而加速整個煤粉的燃燒或不完全燃燒速度 ，提高分解爐中下部這一特定區域內固態煤粉向氣態物質的轉化。當然，由于還原物質的摩爾比稍大，因而部分煤粉，因不完全燃燒而轉化為CO+HXCX氣態還原物質。

2）加快煤粉不完全燃燒速率的系列措施

可以采用一系列措施，加快煤粉的燃燒，從而在助燃空氣分級燃燒的前提下，在分解爐內促成大量的氣態還原物質的形成，造就一片很厚實的、可以大量還原氮氧化物的還原區域。

①選擇高揮發份的燃煤；

②制備高細度、低水分的煤粉；

③改進分解爐燃燒器和分解爐結構，加強煤粉與高溫助燃空氣的混合，提高與煤粉混合的助燃空氣湍流度；

④用高溫純空氣助燃空氣取代回轉窯煙氣+三次風的混合物，促成煤粉的早發火和快速燃燒。

⑤提高篦式冷卻機的熱交換效率，提高助燃空氣的溫度。

3）確保分解爐的基本有效容積和結構優化

這一命題與水泥熟料生產的高效、低能耗是一致的，也與我們采用無煙煤和劣質煤取代煙煤的資源政策所采取的技術措施是一致的。優化水泥熟料生產的系列措施，以及優化燃煤資源化的技術措施都是我們應予以尊重的。因此，確保分解爐的容積（保證煤粉有足夠的停留時間，以便在助燃空氣分級燃燒再次注入前，可以較大幅度將煤粉轉化為氣態的CO2+CO+HXCX，從而較大幅度實現氮氧化物的減量）和分解爐的結構優化，是促進燃料快速、充分燃燒的措施，也是保證水泥熟料的高產、低耗的重要措施，而且這也無疑為降低氮氧化物的排放創造了條件。

4 SCR的實質也是一種再燃脫硝

SCR就是將氣態的還原物質—通過將氨水（或氨氣、尿素）以霧化的方式轉變成為微小的液滴，注入到助燃空氣不足的煙氣中，在高溫環境里進一步氣化為化學反應活性很高的氣態NH3。這種化學活性較高的NH3就在高溫條件下，與氮氧化物反應生成N2+H2O，完成煙氣的無害化處置。冶金、化工、電力等部門，根據自身的條件，也有采用其它的液態或氣態的、化學反應活性高的還原物質，在主燃燒器的下游，以霧化狀態注入，造就主燃燒之后的窯爐空間的還原氣氛，實現所謂的再燃脫硝（ERD），大幅度消除燃料燃燒時產生的氮氧化物。

無論是SCR還是再燃脫硝（ERD）工藝，其燃料的形式，注入點的位置和比例，注入時流場的形式和湍流度強度，均應立足于還原區域還原氣氛的強化。我們應該以這個原則分析分級燃燒、再燃脫硝（ERD）的技術細節，以求得最好的工藝效果。

5 結 語

1）分級燃燒、再燃脫硝（ERD）、SCR等工藝，從實質上講，都是從氣氛控制、調節出發，將煤粉燃燒過程中產生的氮氧化物還原為無害物質的過程，必須從還原氣氛的控制出發，來解析各種低氮燃燒技術的特點和細節，將水泥窯爐的低氮燃燒，健康、合理的推進。

2）應采用各種措施，在助燃空氣分級燃燒技術造就缺氧的條件下，將化學反應活性較低的煤粉，部分轉化為化學活性較強、可以有效還原氮氧化物的氣態還原物質。

3）通過溫度控制、燃料細度水分控制等局部性手段，實現氧化還原反應速率的提升，從而更好的服務于反應方向。

4）氣氛決定反應方向，溫度決定反應速率。在合適的區域通過控制不同的反應氣氛和溫度，可以達到可觀的效果。

[1]《低氮燃燒的出發點是水泥窯爐還原氣氛的控制》水泥雜志2016第5期；

[2]《提高還原燃燒水平，降低脫硝氨水消耗》水泥工程雜志2015年第3期；

[3]《全過程低氮燃燒技術在水泥廠的應用》水泥雜志2016年第8期；

The key to low nitrogen combustion is the control of furnace reduction atmosphere

The paper begins with the basic principle of redox reaction, and points out that controlling reducing atmosphere is the essence of staged combustion and reburning denitration technology of the cement kiln low nitrogen combustion technology by elaborating the system control of low nitrogen combustion and several ways of the atmosphere control in redox reaction of cement kiln.

low nitrogen combustion；reducing atmosphere control；staged combustion；reburning denitration

TQ172.622.2

B

1003-8965(2017)04-0038-02