水泥窯煙氣脫硝系統的實踐

王學忠，張曉蒙，張璐衡，田文軍，劉鵬玉

1 前言

NOx是環保重點管控指標之一，新型干法水泥回轉窯窯內燒結溫度高，過剩空氣量大，NOx排放濃度高且灰量大，使NOx脫硝工程面臨著艱巨的挑戰。目前用于控制水泥回轉窯NOx排放的技術大多采用選擇性非催化還原SNCR技術，但SNCR技術脫氮效率低，日常投入費用高。本文介紹了水泥窯煙氣脫硝窯頭燒成和窯尾燒成系統改造的技術原理和技術方案，采用窯頭低氮煤粉燃燒技術可實現降低回轉窯內熱力型NOx生成量，采用窯尾分解爐高強還原燃燒控制技術可實現回轉窯內熱力型NOx高強還原，大大降低了NOx生成量，兩項技術的使用可實現脫硝效率60%以上，大大降低了NOx排放濃度和排放總量，降低了氨水用量和脫硝成本。

2 水泥窯煙氣脫硝系統技術原理

2.1 窯頭低氮煤粉燃燒技術原理

窯頭燒成系統采用低氮燃燒控制技術，通過控制窯頭燃燒器火焰的高溫動態時間，減少氮氣和氧氣在高溫區的反應時間，從NOx的反應時間、反應溫度、反應介質上控制回轉窯內NOx的生成量。

窯頭燒成系統采用一次風量＜6%的低氮節能燃燒器，可保證煤粉充分燃燒的情況下有效減少多余一次風進入窯內，有利于加快煤粉著火速率。較少的一次風用量不但可以降低煤耗和電耗，而且可以降低燃燒器高風速與窯內低風速速率差所造成的大量空氣聚集而形成的峰值溫度，減少回轉窯內熱力型NOx的生成量。

2.2 窯尾分解爐高強還原燃燒控制技術原理

圖1 低氮節能燃燒器頭部實物圖

窯尾燒成系統采用分解爐高強還原燃燒控制技術和窯頭窯尾用煤量優化控制技術，使煤粉在分解爐內全部分解，形成大量的CO、CHi、H2、HCN和固定碳等還原劑，將窯內產生的熱力型NOx強力還原成N2，從而大幅度減少窯尾煙氣的NOx含量，達到脫硝的目的。

3 水泥窯煙氣脫硝系統技術方案

3.1 窯頭低氮煤粉燃燒技術方案

（1）窯頭燃燒器采用一次風量＜6%的低氮節能燃燒器（圖1），采用低氮煤粉燃燒控制技術，降低回轉窯內熱力型NOx生成量。

（2）優化窯頭煤粉輸送系統，提高窯頭煤粉輸送的固氣比，降低窯頭煤粉輸送的風量，降低燃燒型NOx的生成量。

（3）控制窯頭燃燒器火焰的高溫動態時間，減少氮氣和氧氣在高溫區的反應時間。從NOx的反應時間、反應溫度、反應介質上控制回轉窯內NOx的生成量。

3.2 窯尾分解爐高強還原燃燒控制技術方案

（1）窯尾煤粉燃燒系統技術方案

優化窯尾煤粉輸送系統，提高窯尾煤粉輸送的固氣比，降低窯尾煤粉輸送的風量。

采用高性能專用強旋流擴散型窯尾煤粉燃燒器（圖2），優化窯尾燃燒器的安裝位置，使擴散的煤粉以一定速率旋流進入強力還原區，提高煤粉的分解效果，以產生最多的還原氣氛。

圖2 脫硝專用強旋流擴散型窯尾煤粉燃燒器實物圖

（2）三次風管技術方案

窯尾脫硝燒成系統在分解爐形成的強力還原區，由三次風管與窯尾煙室縮口之間的位置形成，因此，該系統對于三次風管的位置有一定的要求，三次風管應設置在分解爐形成強力還原區的上部。

（3）四級下料管技術方案

窯尾脫硝燒成系統需對四級旋風筒下料管在分解爐下料點的位置進行優化，四級旋風筒下料管對分解爐下料點位于三次風管之上，高于三次風管0.5m以上，將每列單管下料更改為雙管下料，每單列增加一套分料閥、翻板閥、撒料箱及將相應的下料管延長。其目的是將相對低溫物料下移，吸收還原區高溫，凝聚窯氣中析出的堿硫等有害成分，防止結皮。

窯尾脫硝系統技術改造方案如圖3、圖4所示。

4 水泥窯煙氣脫硝燒成系統應用實踐

圖3 窯尾脫硝燒成系統技術改造前示意圖

我公司3 000t/d水泥熟料生產線TDF分解爐的規格為φ6.1m×31m，設計產量3 000t/d，實際產量3 400t/d，煙室縮口尺寸φ1 700mm。依照該技術方案，2019年2月我公司進行了煙氣脫硝窯頭燒成系統和窯尾分解爐燒成系統的技術改造，取得了良好效果。表1為我公司3 000t/d生產線回轉窯燒成系統脫硝主要參數，表2為煤粉工業分析數值。

（1）更換窯尾送煤風機為75kW風機，增加變頻器調節，減少入分解爐冷風量（風機具體使用運行參數為：流量：50m3/min；壓力：49kPa；功率：75kW。現有窯尾送煤風機參數：流量：75m3/min；壓力：88.2kPa；功率：200kW）。電機必須為防爆電機，變頻器套柜應為進口ABB或西門子品牌。

（2）更換窯尾送煤管道，窯尾送煤主路管道改為外徑φ219mm（內徑φ203mm），一分三路送煤管道改為外徑φ146mm（內徑φ130mm）。

（3）更改窯尾燃燒器為脫硝專用新型旋流擴散型分解爐燃燒器。由設計單位對分解爐規格型號及煤粉燃燒特性一爐一設計，保證煤粉噴射的旋流擴散效果，使煤粉迅速擴散，均勻混合；將3個窯尾分解爐燃燒器安裝在分解爐錐體底部天圓地方上部適當位置（圖5）。

圖4 窯尾脫硝燒成系統技術改造后示意圖

表1 窯系統脫硝主要工藝參數(改造前)

表2 煤粉工業分析參數

圖5 分解爐錐部煤管照片

（4）對C4下料管進行調整，將現有單管下料改造為雙管下料，C4錐體下部下料管上增加分料閥，對C4上下料比例進行調整。將C4下料管下部入口調整至天圓地方上部，并設置撒料板；上部四級下料管入口調整至新三次風管入口處，并設置撒料板。

（5）對煙室縮口尺寸及縮口高度進行調整，煙室縮口尺寸現為1.7m×1.7m，調整后縮口尺寸為1.85m×1.85m，煙室縮口高度在現有基礎上加高500mm，以縮口內部澆筑料砌筑加高，外部不動，減緩物料下沉，增加煙室縮口噴騰力，減小煙室粉塵濃度，減小窯運行煅燒負荷。

（6）將原三次風進口處封閉。在分解爐錐體上方柱體處向上新開三次風進口通道，重新制作三次風進風通管，連接分解爐上方新通道及膨脹節，形成新的三次風通道，相應提高新加三次風管角度（圖6）。

（7）更換窯頭燃燒器，更換窯頭凈風機，更換窯頭送煤管道。

a窯頭送煤風機

窯頭送煤風機不變，增加變頻器調節減少入窯冷風量。具體使用運行參數：流量：30m3/min；壓力：25～30kPa；功率：37kW。現有窯頭送煤風機參數：流量：60.3m3/min；壓力：49kPa；功率：75kW。

b窯頭凈風機

更換窯頭凈風機。具體參數：流量：60m3/min；壓力：58kPa；功率：90kW。采用變頻調節，保證小風量高壓力。現有凈風機參數：流量：90m3/min；壓力：29.4kPa；功率：90kW。

圖6 三次風管入爐照片

c窯頭送煤管道

更換窯頭送煤管道為φ168mm×8mm（內徑φ 152mm）。現有送煤管道尺寸：φ200mm。

d更換高動能型HJ五通道智能旋渦流燃燒器（圖7）。

圖7 窯頭燃燒器照片

改造完成后，投料一次成功，窯頭火焰強勁有力，形狀完好，調節靈活，窯皮平整，煙室及分解爐錐部結皮少；相同NOx控制指標情況下，氨水用量平均下降了66.7%；脫硝綜合效率＞63%。技術改造前后主要工藝參數對比如表3所示。

5 結語

實際采用窯頭和窯尾降低NOx的技術方案后，得到如下結果：

表3 煙氣脫硝技術改造前后主要工藝參數對比

（1）采用窯頭低氮煤粉燃燒技術可降低回轉窯內熱力型NOx產生量，與傳統燃燒器相比，可降低氮氧化物生成量15%～20%。

（2）采用窯尾分解爐高強還原燃燒控制技術可實現回轉窯內熱力型NOx高強還原，大大降低了NOx生成量，氮氧化物本體濃度可降低45%～50%以上。

（3）采用窯頭低氮煤粉燃燒技術和分解爐高強還原燃燒控制技術，可實現脫硝綜合效率＞63%以上，大大降低了NOx排放濃度和排放總量，降低了氨水用量和脫硝成本。

實踐證明，窯尾煙氣脫硝改造技術相對成熟，也是目前進一步降低NOx排放的有效途徑。窯尾煙氣脫硝改造技術在不影響水泥窯原有工藝運行基礎上，通過建立高強還原區有效降低了NOx排放，且實現了在不增加氨水消耗的條件下NOx排放＜100mg/m3的控制指標，經濟效益和環保效果改善明顯。■