分解爐空氣分級燃燒及NOx排放特性研究

朱書駿，朱建國

(1. 中國科學院 工程熱物理研究所，北京 100190;2. 中國科學院 力學研究所 高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京 100190;3. 中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

水泥行業是我國建筑領域的支撐產業。隨著我國經濟飛速發展，作為重要基礎材料的水泥產品需求量極大且趨于穩定。據國家統計局統計，2018年全國累計水泥產量達到22億t，全國累計熟料產量達到14億t[1]。目前，我國水泥生產技術主要采用新型干法水泥生產線。截至2018年底，我國新型干法水泥生產線達到1 681條。新型干法水泥技術又稱為預分解窯生產工藝[2]，是在生產線中懸浮預熱器與回轉窯之間鋪設一個窯外分解爐。在分解爐內加入約60%燃料，從懸浮預熱器流出的生料與燃料提前在分解爐內進行反應，燃料燃燒釋放出的化學熱供給生料分解，提高了進入回轉窯的生料的表觀分解率。從回轉窯流出的高溫煙氣也與燃料和生料在分解爐內進行反應。因此，高溫煙氣攜帶的熱量供給生料分解，實現回轉窯的廢氣熱焓再利用。

水泥生產過程中的NOx排放與燃煤火電廠和汽車尾氣產生的NOx排放已成為空氣污染的主要來源[3]。隨著GB 4915—2013《水泥工業大氣污染物排放標準》的日益嚴格，水泥生產過程中的低NOx排放研究迫在眉睫。在新型干法水泥生產線中，回轉窯內工作溫度達到1 500 ℃以上，反應區間內會產生大量熱力型NOx和燃料型NOx[4-5]。回轉窯內通常采用降低NOx排放手段包括優化回轉窯燒成參數軟件、低一次風燃燒器和廢氣噴氨等[6]。同時，分解爐是降低水泥生產工藝中NOx排放的有效設備[7]。分解爐內工作溫度通常在800～1 000 ℃，反應區間內的NOx以燃料型NOx為主。分解爐內可采用分級燃燒和SNCR手段來抑制NOx生成[8-9]，其中分解爐的分級燃燒技術是通過合理組織爐內燃燒，在不影響石灰石分解的前提下實現低NOx排放。由于分解爐內生料濃度較高，煤粉的燃燒放熱過程和生料的吸熱分解過程相互耦合，使得分解爐內的溫度場和濃度場變得復雜，且回轉窯產生的NOx會流入分解爐內進行反應，使得NOx的反應過程更加復雜。Liu等[10]研究表明，流化床煤粉燃燒過程中石灰石的分解反應既可以減少煤焦燃燒產生的N2O排放，還可以提高焦炭氮向NO/NOx的轉化率。Allen等[11]研究表明，還原性氣氛中CaO有利于減少NO排放，但氧化性氣氛中CaO會增加NO的排放。Tarelho等[12]研究表明，石灰石添加對NO和N2O排放的影響取決于初始反應氣氛。在初始貧燃料氣氛中，添加石灰石會增加NO排放而減少N2O排放。然而在初始富燃料氣氛中，NO和N2O排放變化呈相反趨勢。上述研究表明石灰石添加對NOx的氧化還原反應影響與反應裝置、溫度和氣氛等反應條件緊密相關。因此，在模擬分解爐的反應條件下探索石灰石添加對NOx排放變化影響具有重要意義。

當前分解爐的分級燃燒技術研究以應用技術為主，主要是冷態模型[13]、數值模擬[14-15]和一維爐試驗[6]，結果均表明分級燃燒可在保證石灰石分解率的前提下實現低NOx排放。但分級配風模式(配風位置和配風比例等)對NOx排放的影響規律隨著試驗臺結構和尺寸的改變而變化，同時考慮到分解爐內部復雜的物理化學過程，需模擬實際應用分解爐的相關試驗。因此，本文在引入高溫煙氣的模擬分解爐內進行空氣分級燃燒試驗，探索配風位置、配風比例以及石灰石/煤比例對分解爐內燃燒和NOx排放特性的影響規律。

1 試 驗

1.1 試驗樣品

選用煤樣為我國典型煙煤——神木煙煤，工業分析與元素分析見表1。煙煤粒徑為0～0.18 mm。石灰石樣品的主要成分為CaCO3，純度約為98%,主要雜質成分為MgCO3和SiO2，檢測結果見表2。石灰石的粒徑分布為0～0.5 mm。

表1 煤樣的工業分析與元素分析

表2 石灰石分析

1.2 試驗系統

試驗系統由高溫煙氣發生裝置、模擬分解爐和輔助設備組成(圖1)。高溫煙氣發生裝置為一個循環流化床,提升管的高度和直徑分別為1 000和149 mm，旋風筒的直徑為149 mm。少量煤粉在循環流化床內完全燃燒，產生的高溫煙氣通過一個聯通管流入后置的模擬分解爐中。該股高溫煙氣將模擬實際回轉窯產生的煙氣進入分解爐內。在高溫煙氣的進口管中加入試驗用煤和石灰石，此時可以認為高溫煙氣攜帶著煤粉和石灰石進入模擬分解爐內，反應路徑從爐頂自上而下進行。分解爐的高度和直徑分別為6 000和700 mm，爐膛為圓柱形結構。在分解爐頂部的環形位置處等距離布置了4個進風口，將該處給風定義為分解爐的一級風。在分解爐距頂部300、1 200、1 500、1 800、2 100和3 000 mm沿程布置有6個風路，沿程自上而下分別定義為1～6層風路，每次試驗僅選取其中4個風路工作，每層風路的進風口對沖進入分解爐內，將該處給風定義為分解爐二級風。為更接近實際分解爐內的運行環境，控制模擬分解爐內的主要運行溫度在800～1 000 ℃，且在有高溫煙氣引入的氣氛中加入石灰石和煤的混合物，探索空氣分級時的燃燒特性和NOx排放特性。輔助設備包括送風機、引風機、尾部水冷和除塵系統等，支撐著整個系統的正常運行。

高溫煙氣發生裝置布置有4個熱電偶(Ni-Cr/Ni-Si熱電偶)，位置分別在提升管距頂部50、500和950 mm三處和返料器處。同時，在高溫煙氣發生裝置的出口處布置有一個熱電偶(Ni-Cr/Ni-Si熱電偶)，用以監測高溫煙氣的溫度。模擬分解爐沿程布置有17個熱電偶(Pt/Pt-Rh熱電偶)，位置分別在距頂部150～3 150 mm的每300 mm處和3 500～6 000 mm的每500 mm處。

圖1 系統流程示意

試驗穩定過程中，分別在高溫煙氣裝置出口的聯通管處和分解爐尾部的水冷出口管路處進行煙氣成分在線測試分析。煙氣中NOx、NH3、HCN、CO、CO2等組分采用Gasmet FTIR DX-4000 煙氣分析儀測定，O2采用氧化鋯分析儀測定。

1.3 試驗工況

試驗主要研究分解爐內配風位置、配風比例和石灰石/煤比例對燃燒特性和NOx排放特性的影響。所有試驗工況中，均保持高溫煙氣發生裝置內的燃燒狀態不變，即循環流化床內的給煤量、配風量等參數保持不變，從而產生的高溫煙氣的溫度和煙氣組分含量才能保持不變。在此基礎上，按照不同試驗目的變化試驗參數，具體試驗工況參數見表3。

表3 試驗工況

2 試驗結果與討論

2.1 高溫煙氣發生裝置

試驗穩定過程中，高溫煙氣發生裝置的給煤量和配風量保持穩定不變，分別為1.87 kg/h和27 Nm3/h。此時，高溫煙氣發生裝置內的溫度分布如圖2所示。可知高溫煙氣發生裝置的時間平均溫度為911 ℃。高溫煙氣發生裝置出口的煙氣溫度如圖3所示。可知高溫煙氣的溫度穩定在750 ℃左右。

圖2 高溫煙氣發生裝置溫度分布

圖3 高溫煙氣溫度

利用Gasmet FTIR DX-4000煙氣分析儀測定高溫煙氣成分，其結果見表4。結果表明高溫煙氣中的NOx主要以NO和N2O的形式存在，其濃度分別為261.49×10-6和12.96×10-6。該股高溫煙氣將模擬實際回轉窯產生的煙氣進入到分解爐內。

2.2 模擬分解爐

由高溫煙氣發生裝置產生的高溫煙氣攜帶煤粉和石灰石進入模擬分解爐內，反應過程自上而下進行。

表4 高溫煙氣成分

2.2.1不同配風位置

保持一級風量及二級風總風量不變，通過改變二級風的位置來研究不同配風位置對分解爐內燃燒和NOx排放特性的影響，其中二級風一共分4層噴入分解爐內，僅改變中間配風的位置，具體試驗參數見表3的工況1～3。不同工況下分解爐內溫度變化如圖4所示。在分解爐的上部區域(距離頂部0～2 000 mm區域)的溫度為800～1 000 ℃，與實際分解爐運行溫度一致。隨著中間配風位置的下移，分解爐頂部區域的溫度下降。原因為配風位置下移導致煤粉燃燒放熱區域下移，而頂部區域的石灰石吸熱量變化較小，則原有的熱量平衡被打破，原有的吸熱量高于現有的放熱量，導致頂部區域內的燃燒溫度降低。

圖4 不同配風位置下分解爐溫度分布

不同配風位置下煙氣成分濃度變化如圖5所示。排放煙氣中NOx主要以NO和N2O形式存在。隨著配風位置的下移，NO排放濃度升高，N2O濃度無明顯變化。配風位置的下移使得分解爐頂部至該處位置區域空間增加，即煤粉燃燒和石灰石分解過程在還原氣氛中反應時間變長。因此，在該處配風未噴入前，NOx的還原反應更加充分，有利于降低NOx濃度。同時，分解爐內石灰石的存在對于NO生成既有促進作用又有抑制作用[16]。一方面，石灰石分解產生的氧化鈣(CaO)作為中間產物促進了NO的生成反應[17](式(1)～(3))。因此，隨著配風位置下移導致的反應時間增加，也促進了NO的生成。另一方面，石灰石作為催化劑參與焦炭和揮發分還原NO的反應過程，該還原反應過程隨溫度下降而變弱。由圖4可知，隨著中間配風位置的下移，分解爐頂部區域溫度下降，故該還原反應變弱。綜上，NO的最終排放濃度是以上不同反應間的綜合結果。隨著配風位置的下移，該變化對NO的生成作用更加明顯。因此，NO的排放濃度逐漸升高。

(1)

(2)

(3)

圖5 不同配風位置下煙氣成分濃度分布

2.2.2不同配風比例

保持二級風配風位置不變，通過改變一級風量和二級風量的相對比例來研究不同分級配風比例對分解爐內燃燒和NOx排放特性的影響，其中二級風的配風位置固定在距離分解爐頂部300、1 200、2 100和3 000 mm處，具體試驗參數見表3的工況3～5。不同工況下分解爐內溫度變化如圖6所示。當一級風量與二級風量的配風比例逐漸降低時，即降低一級風量和增加二級風量，分解爐內沿程溫度整體呈現降低趨勢。這是因為隨著一級風量的減少，分解爐上部區域的煤粉燃燒份額變少，燃燒放熱量相應降低，進而導致溫度降低。此時，上部區域的石灰石分解量也降低。在分解爐下部區域的煤粉燃燒份額相應增加，但下部區域內未分解的石灰石份額也增加，石灰石吸熱量的增加量高于燃燒增加份額的放熱量，因此分解爐內整體溫度均降低。分解爐內反應溫度的差距在中部區域最明顯。隨著燃燒進行，分解爐下部區域的燃燒溫度差距逐漸縮小。

圖6 不同配風比例下分解爐溫度分布

分解爐尾部煙氣成分分析如圖7所示。可知，當一級風量與二級風量的比例減少時，煙氣中的NO濃度呈降低趨勢，N2O濃度變化很小。分解爐內NO濃度是由石灰石催化的氧化過程和還原過程綜合決定的[18]。一級風量變小時，石灰石催化NO的氧化時間和還原反應時間在還原性氣氛中均變長。已有研究表明還原性氣氛下氧化鈣和其他堿及堿土金屬(如氧化鎂)會增強NO的還原率[19]。相較工況3，工況4中石灰石催化NO的還原作用強于氧化作用的效果，最終結果為NO濃度明顯降低。而相較工況4，在工況5中石灰石催化NO的還原作用與催化NO的氧化作用的效果相近，因此2個工況的NO排放無明顯區別。隨著一級風量的降低，尾部CO濃度也隨之增加。這是因為分解爐內燃燒氣氛由還原性氣氛轉變為氧化性氣氛的區域向下移動，結合分解爐內溫度變化，說明燃燒效果變差。

圖7 不同配風比例下煙氣成分濃度分布

2.2.3不同石灰石/煤比例

保持各級配風位置和給煤量不變，通過改變石灰石給粉量研究不同石灰石/煤比例對分解爐內燃燒和NOx排放特性的影響，具體試驗參數見表3的工況5～8，分別對應石灰石/煤比例為1.91、2.35、2.79和3.23。不同工況下分解爐內溫度變化如圖8所示。可知石灰石/煤比例增加時，即僅增加石灰石給粉量時，分解爐內沿程溫度逐漸下降。這是因為更多的石灰石分解需要吸收更多的熱量，而給煤量保持不變，即燃燒反應放熱量不變。該部分超出的吸熱量表現為分解爐內溫度的降低。

圖8 不同石灰石/煤比例下分解爐溫度分布

不同石灰石/煤比例下的分解爐尾部煙氣成分分析如圖9所示。隨著石灰石量的增加，尾部NO濃度下降，而N2O濃度升高。當石灰石給粉量增加時，分解爐中石灰石受熱分解產生的CaO濃度隨之增加，其中CaO是催化NO還原的重要化合物。因此NO濃度逐漸降低。而石灰石給粉量增加和分解爐溫度降低的過程也導致尾部的CO濃度升高。

圖9 不同石灰石/煤比例下煙氣成分濃度分布

3 結 論

1)試驗穩定過程中，高溫煙氣發生裝置內溫度穩定波動，產生的高溫煙氣溫度穩定在750 ℃左右。高溫煙氣中NOx主要以NO和N2O形式存在，濃度分別為261.49×10-6和12.96×10-6。高溫煙氣作為模擬實際回轉窯產生的煙氣進入分解爐內。

2)隨著中間配風位置的下移，分解爐頂部區域的溫度下降。同時，NO排放濃度逐漸升高，N2O濃度沒有明顯變化。

3)當一級風量與二級風量的配風比例逐漸降低時，分解爐內沿程溫度整體呈現降低趨勢。隨著燃燒反應的進行，在分解爐下部區域的燃燒溫度差距逐漸縮小。同時，煙氣中的NO濃度呈現降低的趨勢，N2O濃度的變化很小。隨著一級風量的降低，尾部CO的濃度也隨之增加，燃燒效果變差。

4)當石灰石/煤比例增加時，分解爐內沿程溫度逐漸下降。煙氣中NO濃度逐漸下降，而N2O濃度逐漸升高。石灰石給粉量增加和分解爐溫度降低的過程也導致尾部的CO濃度升高。