水泥生產燃用石油焦自脫硝技術的實踐

馬嬌媚，彭學平，代中元，諶佳榮，劉瑞芝

1 概述

隨著我國近年來各項工業的不斷發展，石化行業的石油焦也逐漸成為工業市場的重要產品。據悉，2017年我國石油焦產量達到2 770萬噸/年[1]，這也是我國成為石油大國的標志之一。石油焦因硫含量的不同，可分為高硫焦和低硫焦，高硫焦一般用作水泥廠和發電廠的燃料。在我們參與的國內外水泥工程中均有燃用石油焦的情況，過高的硫會導致窯及預熱器結皮結圈，對水泥窯系統的燃燒和脫硝排放也有影響，因此有必要研究石油焦與煙煤特性的區別，結合水泥窯分解爐的結構，有針對性地進行自脫硝方案設計。本文以天津水泥工業設計研究院有限公司總承包的土耳其項目為例，主要介紹燃用石油焦時脫硝排放的應用實踐，供水泥業界同仁參考。

2 石油焦特性分析

一般分解爐采用三次風作為助燃空氣，過剩空氣系數1.1～1.2，出口溫度控制840～880℃。水泥廠使用石油焦作為燃料燃燒，首先要分析石油焦與普通燃用煙煤和無煙煤的區別，圖1、圖2給出了石油焦和無煙煤典型的差熱失重曲線，表1給出了不同煤質的燃燒特性參數，通過分析可以看出，石油焦主要應從以下幾個方面考慮：

圖1 安慶阿爾博石油焦差熱失重曲線

圖2 越南黃石無煙煤差熱失重曲線（090225-0649）

表1 典型燃料燃燒特性實驗數據

（1）石油焦一般硫含量較高，水泥生產線使用的石油焦中硫含量在4%以上，高至6%，極個別廠在少數情況下達到8%。

（2）石油焦揮發分低，接近于無煙煤，析出慢，從而導致著火溫度升高，對燃燒的穩定性有一定影響。

（3）石油焦著火溫度高，燃燒持續的時間較長。

（4）石油焦發熱量高等原因引起燃燒中心平均溫度升高（與燒純煤粉時相比），影響結渣及分解爐出口溫度。

（5）石油焦的燃燒特性表明，它需要較長的燃盡時間。石油焦的比重小于煙煤比重。

（6）煅燒石油焦經常采用大一些的過量空氣系數，使燃料跑到濃度偏高的地方也能多接觸一些氧，同時減少系統的局部高溫及結皮。

表2 主機配置

表3 設計初期來樣石油焦工業分析及易磨性數據

表4 生產期間入窯燃料工業分析，%

（7）傳統的預熱預分解窯爐燃用100%高硫石油焦時，需要通過一定的設計手段優化實現。

3 土耳其燃用石油焦項目概況

土耳其項目正式簽訂于2015年，海拔1 261m，離首都安卡拉500多公里。項目主要采用我國水泥技術和裝備，合同范圍從原料破碎到水泥散裝，工期為28個月，工作范圍包括工程設計、機械設備供貨、DAP運輸和現場服務。

3.1 主機配置

表2給出了燒成系統的主機配置。

3.2 項目原燃料條件

來樣分析的石油焦與投產后石油焦有一定出入，加大了調試操作的難度。項目初期石油焦來樣工業分析及易磨性數據見表3。該現場燃料采用石油焦，熱值較高，入窯燃料的細度控制在90μm篩篩余1.0%～2.0%（合同要求90μm篩篩余＜2.0%）。生產期間石油焦的工業分析見表4。

對于固體燃料燃燒而言，燃料中的含氮量對NOx的生成具有顯著影響，在相同的燃燒條件下，NOx生成量是隨著燃料中的含氮量增加而增加的。調試期間燃料的元素分析見表5。

表5 入窯燃料元素分析，%

調試期間現場采用的燃料為中硫石油焦，根據合同設計要求，中硫石油焦中的含氮量為1.43%，而調試期間燃料中的含氮量為2.11%，對NOx排放有一定影響。

3.3 燒成系統主要技術特點

針對燃用石油焦的項目，燒成系統在前期設計時，充分考慮了特殊性，主要包括：（1）熱平衡計算時選取了較大的過剩空氣系數，燒成系統的開發選取了合理的截面風速；（2）在風管、料管彎頭拐點處進行逐一檢查，避免出現積灰地方，排查因為通風不暢、局部積灰引起的結皮；（3）在煙室、分解爐、料管等高溫部位設計了空氣炮及時進行清堵；（4）熟料結粒較細，在配料和操作上要引起注意；（5）石油焦儲存、輸送、粉磨和燃燒器等設備要做必要的改進。

4 脫硝調試過程及分析

4.1 梯度燃燒自脫硝分解爐技術特點及原理

土耳其項目采用了天津院公司第一代自脫硝技術，三次風為柱體雙進風，分解爐自下而上分別為三次風管、煤管、料管，脫硝風管位于分解爐中柱體的下部（圖3a）。

溫度和燃燒氣氛的控制是分解爐自脫硝的技術關鍵。梯度燃燒自脫硝分解爐從下而上（見圖3b），分為強貧氧區、貧氧區、燃盡區三個部分，通過三次風管和脫硝風管的閥門控制氧含量，進而控制還原氣氛，通過分料控制主體結構的溫度梯度，創造有利于分解爐內燃料快速起燃、NOx還原的高溫區，為后續第三部分燃盡區燃料燃盡創造條件，避免未燃盡的燃料在預熱器內后燃，節省了燃煤。自脫硝分解爐技術的優勢是可以保證燃料完全燃燒燃盡，CO濃度≤500ppm，大大減少結皮堵塞，系統的產質量不受影響。

通過C4料管的分料閥提高分解爐主燃區的溫度至1 050～1 200℃范圍內，通過拉風及閥門控制分解爐出口的氧含量＜2%，預熱器出口的氧含量＜2.5%，在分解爐內燃料完全燃燒的基礎上控制拉風使氧含量盡可能低。通過脫硝風管進行三次風的分級設置，分解爐的中柱體及下柱段有較大脫硝空間，調節脫硝風管使其形成高溫還原氣氛，一般煙煤可實現NOx＜500mg/m3（標）（@10%O2）、脫硝效率50%以上的效果[2，3]，同時分解爐出口管道預留SNCR噴氨位置，自脫硝技術結合SNCR一般可以使氮氧化物排放指標達到100～150mg/m3（標）。石油焦作為燃料一般NOx本底排放濃度較高，從圖4印度烏代浦項目的數據可以看出，燃用石油焦時NOx本底排放濃度基本在1 500mg/m3（標）以上。這是公司首次對燃用石油焦項目應用自脫硝技術，需要進行摸索調試。

4.2 燃用石油焦的自脫硝調試

圖3 自脫硝分解爐

圖4 印度烏代浦項目燃用石油焦NOx數據

根據土耳其水泥工業標準，NOx排放（按NO2折算）應＜800mg/m3（標）@10%O2。生產線燃料采用石油焦，燒成系統考核期間廢氣總管氣體成分折算的NOx排放平均值達1 640mg/m3（標）@10%O2，調試初期很難滿足NOx排放標準，需對正常生產時的NOx排放進行一定的控制，在不影響燒成系統運行及熟料產、質量的前提下，采用分級燃燒系統解決方案降低NOx排放值。

由于調試前NOx排放值較高，分級燃燒NOx排放調試時也綜合考慮了系統拉風、主燃燒器燃料用量、一次風機風量以及主燃燒器旋流葉片角度等因素。考慮到調試周期，調試過程中并沒有單獨針對單個因素不同幅度下的NOx排放值進行研究，調試時要考慮各個因素對NOx排放的綜合影響。調試中幾次重要調試結果見表6。

第一次調試時對系統拉風進行了控制，高溫風機開度有7%的下降，然而燒成系統進一步降風降溫以后生料磨無法滿足設計產量，因此，為兼顧生料磨產量及窯內煅燒，只能將高溫風機控制在較高的開度下。但可以看出，降低系統拉風能有效控制NOx的排放，本次調試NOx排放值降低778mg/m3（標）@10%O2，降低幅度較明顯。

脫硝風管開度增加以后，三次風管近支路積灰沒有明顯變化，遠支路積灰加劇。將脫硝風管開度由100%降到80%，最后降到70%，同時將遠支路三次風管閘板閥開度增加5%，運行一個班次之后檢查發現，遠支路積灰情況有一定程度緩解。第二次調試后，廢氣總管NOx按NO2折算為900～1 100mg/m3（標）。

第三次調試將主燃燒器旋流葉片角度由40%降低為20%，主要目的是降低旋流風強度，拉長火焰，降低窯內NOx生成（調試前煙室NOx含量為800ppm左右）。調整以后，窯尾煙囪NOx排放按NO2折算為750～900mg/m3（標）@10%O2，較之調試前有較明顯的降低。第三次調試以后，通過對配料進行控制，對相關控制參數進一步優化，窯尾煙囪NOx排放值可以穩定控制在800mg/m3（標）@10%O2以下。

如表7所示，經過調試，自脫硝分解爐運行穩定，滿足了土耳其水泥工業排放要求。

表6 調試前后系統參數

表7 NOx排放調試進度說明

5 驗收結果及優化方向

2017年生產線通過驗收考核，產量達到4 692t/d，熟料熱耗為708×4.18kJ/kg，平均游離氧化鈣為0.54%，運行兩年來生產平穩，產質量達到設計要求。2019年回訪時重點了解燒成系統自脫硝裝置的使用效果，業主反饋，使用分級燃燒脫硝時，窯尾塔架內三次風管積灰較重，特別是三次風管的支管，積灰面積達到30%左右。第二代梯度燃燒自脫硝技術，分解爐自下而上分別為煤管、三次風管、料管，自脫硝的空間更大、不還原氣氛更徹底。經過分析，結合最新梯度燃燒自脫硝技術的研發進展，提出兩個優化改進措施：

（1）調整三次風管塔內部分有效面積：針對現場三次風管積灰問題，本次優化方案考慮將三次風管（閥門前塔外部分）火磚厚度統一增加，以減少三次風管的通風面積，提高三次風風速，考慮脫硝風管分走30%左右的三次風，火磚加厚后，脫硝風管和三次風主管道通風更匹配。

（2）煤管下移至膨脹節1 000mm處，C4一側下料點下移至分解爐錐部并增設測溫點。考慮將噴煤管位置下移至膨脹節以上1 000mm處，C4一側下料點下移至分解爐錐部，優化分料，控制溫度。通過分解爐分級燃燒，進一步降低氨水用量，同時有利于分解爐的溫度分布控制，避免出現局部溫度過高導致耐火磚燒壞的情況。該方案配套改造C4一側下料管，并在分解爐錐部增設兩個測溫點，及時監測溫度。

6 結語

土耳其項目表明，燃用石油焦情況下，采用自脫硝分解爐分級燃燒，NOx可以達到排放標準要求。

（1）石油焦熱值高、硫含量高，燃用石油焦時，水泥窯NOx本底排放普遍較高，一般達到1 500mg/m3（標）@10%O2以上。

（2）燃用石油焦的生產線，采用分級燃燒時，自脫硝相對能達到的排放絕對值較高，相對于煙煤，對分解爐、系統拉風、設備結構等要求較高。

（3）天津院公司研發的自脫硝分解爐燃用石油焦時，可以將NOx從本底1 640mg/m3（標）@10%O2降至800mg/m3（標）@10%O2以下。