水泥生產(chǎn)燃用石油焦自脫硝技術(shù)的實踐

馬嬌媚，彭學(xué)平，代中元，諶佳榮，劉瑞芝

1 概述

隨著我國近年來各項工業(yè)的不斷發(fā)展，石化行業(yè)的石油焦也逐漸成為工業(yè)市場的重要產(chǎn)品。據(jù)悉，2017年我國石油焦產(chǎn)量達(dá)到2 770萬噸/年[1]，這也是我國成為石油大國的標(biāo)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(fā)電廠的燃料。在我們參與的國內(nèi)外水泥工程中均有燃用石油焦的情況，過高的硫會導(dǎo)致窯及預(yù)熱器結(jié)皮結(jié)圈，對水泥窯系統(tǒng)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(qū)別，結(jié)合水泥窯分解爐的結(jié)構(gòu)，有針對性地進(jìn)行自脫硝方案設(shè)計。本文以天津水泥工業(yè)設(shè)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(yīng)用實踐，供水泥業(yè)界同仁參考。

2 石油焦特性分析

一般分解爐采用三次風(fēng)作為助燃空氣，過剩空氣系數(shù)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(qū)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(zhì)的燃燒特性參數(shù)，通過分析可以看出，石油焦主要應(yīng)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(shù)據(jù)

（1）石油焦一般硫含量較高，水泥生產(chǎn)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(shù)情況下達(dá)到8%。

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

（3）石油焦著火溫度高，燃燒持續(xù)的時間較長。

（4）石油焦發(fā)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(jié)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(jīng)常采用大一些的過量空氣系數(shù)，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(tǒng)的局部高溫及結(jié)皮。

表2 主機(jī)配置

表3 設(shè)計初期來樣石油焦工業(yè)分析及易磨性數(shù)據(jù)

表4 生產(chǎn)期間入窯燃料工業(yè)分析，%

（7）傳統(tǒng)的預(yù)熱預(yù)分解窯爐燃用100%高硫石油焦時，需要通過一定的設(shè)計手段優(yōu)化實現(xiàn)。

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(shù)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(shè)計、機(jī)械設(shè)備供貨、DAP運輸和現(xiàn)場服務(wù)。

3.1 主機(jī)配置

表2給出了燒成系統(tǒng)的主機(jī)配置。

3.2 項目原燃料條件

來樣分析的石油焦與投產(chǎn)后石油焦有一定出入，加大了調(diào)試操作的難度。項目初期石油焦來樣工業(yè)分析及易磨性數(shù)據(jù)見表3。該現(xiàn)場燃料采用石油焦，熱值較高，入窯燃料的細(xì)度控制在90μm篩篩余1.0%～2.0%（合同要求90μm篩篩余＜2.0%）。生產(chǎn)期間石油焦的工業(yè)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(diào)試期間燃料的元素分析見表5。

表5 入窯燃料元素分析，%

調(diào)試期間現(xiàn)場采用的燃料為中硫石油焦，根據(jù)合同設(shè)計要求，中硫石油焦中的含氮量為1.43%，而調(diào)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(tǒng)主要技術(shù)特點

針對燃用石油焦的項目，燒成系統(tǒng)在前期設(shè)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(shù)，燒成系統(tǒng)的開發(fā)選取了合理的截面風(fēng)速；（2）在風(fēng)管、料管彎頭拐點處進(jìn)行逐一檢查，避免出現(xiàn)積灰地方，排查因為通風(fēng)不暢、局部積灰引起的結(jié)皮；（3）在煙室、分解爐、料管等高溫部位設(shè)計了空氣炮及時進(jìn)行清堵；（4）熟料結(jié)粒較細(xì)，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(shè)備要做必要的改進(jìn)。

4 脫硝調(diào)試過程及分析

4.1 梯度燃燒自脫硝分解爐技術(shù)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(shù)，三次風(fēng)為柱體雙進(jìn)風(fēng)，分解爐自下而上分別為三次風(fēng)管、煤管、料管，脫硝風(fēng)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(shù)關(guān)鍵。梯度燃燒自脫硝分解爐從下而上（見圖3b），分為強(qiáng)貧氧區(qū)、貧氧區(qū)、燃盡區(qū)三個部分，通過三次風(fēng)管和脫硝風(fēng)管的閥門控制氧含量，進(jìn)而控制還原氣氛，通過分料控制主體結(jié)構(gòu)的溫度梯度，創(chuàng)造有利于分解爐內(nèi)燃料快速起燃、NOx還原的高溫區(qū)，為后續(xù)第三部分燃盡區(qū)燃料燃盡創(chuàng)造條件，避免未燃盡的燃料在預(yù)熱器內(nèi)后燃，節(jié)省了燃煤。自脫硝分解爐技術(shù)的優(yōu)勢是可以保證燃料完全燃燒燃盡，CO濃度≤500ppm，大大減少結(jié)皮堵塞，系統(tǒng)的產(chǎn)質(zhì)量不受影響。

通過C4料管的分料閥提高分解爐主燃區(qū)的溫度至1 050～1 200℃范圍內(nèi)，通過拉風(fēng)及閥門控制分解爐出口的氧含量＜2%，預(yù)熱器出口的氧含量＜2.5%，在分解爐內(nèi)燃料完全燃燒的基礎(chǔ)上控制拉風(fēng)使氧含量盡可能低。通過脫硝風(fēng)管進(jìn)行三次風(fēng)的分級設(shè)置，分解爐的中柱體及下柱段有較大脫硝空間，調(diào)節(jié)脫硝風(fēng)管使其形成高溫還原氣氛，一般煙煤可實現(xiàn)NOx＜500mg/m3（標(biāo)）（@10%O2）、脫硝效率50%以上的效果[2，3]，同時分解爐出口管道預(yù)留SNCR噴氨位置，自脫硝技術(shù)結(jié)合SNCR一般可以使氮氧化物排放指標(biāo)達(dá)到100～150mg/m3（標(biāo)）。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(shù)據(jù)可以看出，燃用石油焦時NOx本底排放濃度基本在1 500mg/m3（標(biāo)）以上。這是公司首次對燃用石油焦項目應(yīng)用自脫硝技術(shù)，需要進(jìn)行摸索調(diào)試。

4.2 燃用石油焦的自脫硝調(diào)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(shù)據(jù)

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

由于調(diào)試前NOx排放值較高，分級燃燒NOx排放調(diào)試時也綜合考慮了系統(tǒng)拉風(fēng)、主燃燒器燃料用量、一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及主燃燒器旋流葉片角度等因素。考慮到調(diào)試周期，調(diào)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(jìn)行研究，調(diào)試時要考慮各個因素對NOx排放的綜合影響。調(diào)試中幾次重要調(diào)試結(jié)果見表6。

第一次調(diào)試時對系統(tǒng)拉風(fēng)進(jìn)行了控制，高溫風(fēng)機(jī)開度有7%的下降，然而燒成系統(tǒng)進(jìn)一步降風(fēng)降溫以后生料磨無法滿足設(shè)計產(chǎn)量，因此，為兼顧生料磨產(chǎn)量及窯內(nèi)煅燒，只能將高溫風(fēng)機(jī)控制在較高的開度下。但可以看出，降低系統(tǒng)拉風(fēng)能有效控制NOx的排放，本次調(diào)試NOx排放值降低778mg/m3（標(biāo)）@10%O2，降低幅度較明顯。

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

第三次調(diào)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(fēng)強(qiáng)度，拉長火焰，降低窯內(nèi)NOx生成（調(diào)試前煙室NOx含量為800ppm左右）。調(diào)整以后，窯尾煙囪NOx排放按NO2折算為750～900mg/m3（標(biāo)）@10%O2，較之調(diào)試前有較明顯的降低。第三次調(diào)試以后，通過對配料進(jìn)行控制，對相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，窯尾煙囪NOx排放值可以穩(wěn)定控制在800mg/m3（標(biāo)）@10%O2以下。

如表7所示，經(jīng)過調(diào)試，自脫硝分解爐運行穩(wěn)定，滿足了土耳其水泥工業(yè)排放要求。

表6 調(diào)試前后系統(tǒng)參數(shù)

表7 NOx排放調(diào)試進(jìn)度說明

5 驗收結(jié)果及優(yōu)化方向

2017年生產(chǎn)線通過驗收考核，產(chǎn)量達(dá)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(chǎn)平穩(wěn)，產(chǎn)質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。2019年回訪時重點了解燒成系統(tǒng)自脫硝裝置的使用效果，業(yè)主反饋，使用分級燃燒脫硝時，窯尾塔架內(nèi)三次風(fēng)管積灰較重，特別是三次風(fēng)管的支管，積灰面積達(dá)到30%左右。第二代梯度燃燒自脫硝技術(shù)，分解爐自下而上分別為煤管、三次風(fēng)管、料管，自脫硝的空間更大、不還原氣氛更徹底。經(jīng)過分析，結(jié)合最新梯度燃燒自脫硝技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展，提出兩個優(yōu)化改進(jìn)措施：

（1）調(diào)整三次風(fēng)管塔內(nèi)部分有效面積：針對現(xiàn)場三次風(fēng)管積灰問題，本次優(yōu)化方案考慮將三次風(fēng)管（閥門前塔外部分）火磚厚度統(tǒng)一增加，以減少三次風(fēng)管的通風(fēng)面積，提高三次風(fēng)風(fēng)速，考慮脫硝風(fēng)管分走30%左右的三次風(fēng)，火磚加厚后，脫硝風(fēng)管和三次風(fēng)主管道通風(fēng)更匹配。

（2）煤管下移至膨脹節(jié)1 000mm處，C4一側(cè)下料點下移至分解爐錐部并增設(shè)測溫點。考慮將噴煤管位置下移至膨脹節(jié)以上1 000mm處，C4一側(cè)下料點下移至分解爐錐部，優(yōu)化分料，控制溫度。通過分解爐分級燃燒，進(jìn)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(xiàn)局部溫度過高導(dǎo)致耐火磚燒壞的情況。該方案配套改造C4一側(cè)下料管，并在分解爐錐部增設(shè)兩個測溫點，及時監(jiān)測溫度。

6 結(jié)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到1 500mg/m3（標(biāo)）@10%O2以上。

（2）燃用石油焦的生產(chǎn)線，采用分級燃燒時，自脫硝相對能達(dá)到的排放絕對值較高，相對于煙煤，對分解爐、系統(tǒng)拉風(fēng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)等要求較高。

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