分級燃燒技術在5 000t/d熟料生產線的應用實踐

黃彬，孫文博

1 前言

隨著環保形勢的日益嚴峻，NOX排放成為水泥行業重點管控指標之一。新型干法水泥窯因燒結溫度高、過剩空氣量大，使其NOX排放濃度高且排放量大，脫硝工作面臨著艱巨的挑戰。目前，水泥廠大多采用選擇性非催化還原（SNCR）技術控制水泥窯爐NOX的排放，但SNCR 技術脫氮效率低，日常運行費用高，給企業增加了較重的經濟負擔。

我公司5 000t/d水泥熟料生產線采用SNCR技術脫硝。在正常生產情況下，水泥窯煙氣NOX排放要求＜100mg/Nm3（10%O2）時，氨水（濃度20%）用量約8.3kg/t.cl，熟料生產成本較高，氨逃逸對環境造成污染。在水泥窯脫硝過程中，氨水中的大部分水分被窯尾廢氣蒸發，會產生一定的蒸發熱，使得煤耗增加；同時，水分隨高溫氣流在熱工設備中流動，會造成高溫風機、窯尾排風機設備本體及其管道的腐蝕，以及袋收塵器的收塵袋結露等問題。這些問題不僅會嚴重影響熟料的正常生產，造成臨時停窯停產，還會增加日常維護和停窯檢修工作的時長與人工成本。

為消除脫硝不利造成的不良影響，我公司決定采用低氨分級燃燒技術，利用生產線的例行停窯檢修時間對脫硝系統進行技術改造。改造以SNCR脫硝技術為基礎，利用煤粉所帶水分與煤粉氣化所產生的水煤氣、燃煤產生的CHi、CO、生料粉等還原物質，與煙氣中的NOX反應，降低NOX的濃度，從而減少SNCR脫硝時的氨水用量。技改后，該生產線不僅降低了生產成本、滿足了NOX排放要求，同時由于氨水用量的降低，減少了熱耗，減弱了NOX對后續余熱發電、生料制備、廢氣處理等系統的設備腐蝕，降低了收塵器糊袋概率，也減少了氨逃逸，提高了生產線的產能利用率。

2 工作原理

2.1 水泥窯氮氧化物（NOX）的生成機理

水泥生產排放的氮氧化物（NOx）主要為NO和少量的NO2，其中NO 占95%以上。水泥窯煙氣脫硝是通過向分解爐內噴入大量還原劑NH3·H2O，以實現環保達標。水泥窯氮氧化物的形成機理如下：

（1）熱力型NOX的形成。熱力型NOX是空氣中的N2在高溫下氧化而產生的NOX。熱力型NOX的產生量主要取決于反應溫度，反應溫度達1 300℃以上時，NOX隨著溫度的不斷升高而成倍數大量生成。化學反應方程式如下：

（2）燃料型NOX的形成。燃料型NOX是燃料中的含氮化合物在燃燒過程中熱分解且氧化而生成的NOX。

（3）快速型NOX的形成。快速型NOX是空氣中的N2與燃料中的碳氫基團（CH、CH2等）在反應區附近快速生成的NOX，其生成量較少，一般占NOX總量的5%以下。

2.2 分級燃燒技術工作原理

煤粉在貧氧高溫環境下產生CO，煤粉中＜2%的水分在高溫下產生水煤氣，通過優化分解爐煤粉燃燒系統、三次風管、C4 下料管等，在分解爐錐體部位建立還原劑產生區、NOX還原區。

（1）還原劑產生區工作原理

煤粉利用無焰燃燒器均勻噴至貧氧燃燒區內，煤粉在高溫貧氧條件下，產生CO 還原劑，煤粉中＜2%的水分在高溫無氧條件下與碳反應生成CO、H2還原劑，煤揮發分在高溫下析出CH4、HCN 等還原劑。化學反應方程式如下：

揮發分析出CH4、HCN。

（2）NOx還原區工作原理

在熱生料調節溫度及催化作用下，窯尾煙氣中的 NOx 在還原區內與 CO、H2、CH4、HCN 等還原劑發生反應，將NOX還原成無污染的惰性氣體N2。此外，少量的碳在缺氧條件下將NO 還原成N2，并且抑制自身燃料型NOx 的產生。其化學反應方程式如下：

一般情況下，NOX的還原時間為0.6s～0.8s。

3 改造關鍵節點

改造后的工藝流程如圖1所示。

圖1 改造后的工藝流程

3.1 分解爐煤粉燃燒系統技改

將4 支新貧氧燃燒器安裝在分解爐錐體底部膨脹節以上合適位置，煤粉經分煤器、輸煤管道進入改造后的4支新貧氧燃燒器，噴入分解爐中。改造后的窯尾煤管安裝位置如圖2所示，具體改造方案如下：

圖2 改造后窯尾煤管安裝位置

（1）拆除原有輸煤管道及分煤器，更換新的輸煤管道和分煤器，連接4支新貧氧燃燒器。

（2）在原主煤管合適位置安裝分煤器。新改管道按照使用要求和現場位置情況，在原分煤器位置安裝3個一分為二的分煤器，在合適位置制作分煤器閘閥操作平臺護欄。改造后的4 根輸煤管將煤粉均勻輸送至4支新貧氧燃燒器。

（3）將4支新貧氧燃燒器安裝于分解爐錐體底部膨脹節以上合適位置，并在同一水平面內360°均布。煤粉經燃燒器噴嘴高速進入還原區內并充分分散，在爐內形成徑向擴散，在此形成的缺氧環境中燃燒產生還原物質，還原窯尾煙氣中大量的NOX，脫硝效果良好。

3.2 三次風管技改及進口優化

為了使低氧還原區具有充足的反應空間，對分解爐三次風管進行上移改造，具體改造方案為：

在原三次風管進口上部、分解爐直筒部位合適位置開孔，把進入分解爐的三次風管上移，使其均勻抬高合適的高度；將三次風管與分解爐上新開的開口對接；封閉原分解爐上三次風進口，形成新的三次風通道；優化三次風管進入分解爐部分，使三次風平滑切入分解爐內。

3.3 C4下料管技改

C4 下料管中的生料，通過分料閥進入分解爐的不同位置，可以達到調節分解爐錐體溫度，防止高溫結皮現象的產生。同時，部分物料進入改造的低氧還原區后，可以利用生料中氧化鈣等堿金屬氧化物對煤焦及煤粉的催化作用，還原窯爐內生成的NOX。揮發分含量越高的煤，生料對還原NOX的催化作用越強。根據原系統的運行狀況，對原C4 下料管下料位置進行改造，具體改造方案為：

隨三次風進口位置的變化，調整三次風管上部的C4 撒料盒安裝位置，將另外兩個撒料盒中的一個上提至合適的位置，將另一個撒料盒安裝在分解爐直筒的底部。撒料盒全部更換為可在線控制閥板角度的可調式撒料盒。改造后三次風管、C4 下料管安裝位置如圖3所示。

圖3 改造后三次風管、C4下料管安裝位置

可調式撒料盒可以在線調整揚料板，使物料分散更均勻，反應更充分，增強了氮氧化物與還原劑的反應效果，降低了系統塌料風險。可調式撒料盒如圖4所示。

圖4 可調式撒料盒示意圖

3.4 SNCR噴槍系統技改

在C5 旋風筒合適部位共安裝12 支脫硝噴槍，將氨水及霧化所需要的壓縮空氣從原脫硝系統控制柜內引出，控制系統保持不變。脫硝噴槍安裝位置如圖5所示。

圖5 脫硝噴槍安裝位置

4 改造后的操作要點

（1）對水泥窯系統采取精細化操作，優化回轉窯系統熱工制度，保持適宜煅燒溫度，確保生料、燃料喂料量均勻穩定。

（2）嚴格控制系統用風，在不影響熟料質量的前提下，盡量降低空氣過剩系數，將空氣過剩系數控制在1.05 以內。確保窯尾煙室O2含量≤3%，但也要保證窯頭煤粉完全燃燒，窯內不能出現還原氣氛，否則易形成黃心料。如果窯尾煙室氧含量偏高，可以適當抬高三次風閘板，保證窯尾煙室氧含量在合理范圍內，否則還原區形成不好，氨水的消耗量會增加。

（3）燒成帶溫度過高對減少熱力型NOx 不利,在保證質量的前提下，可以通過調整配料、添加外加劑等方法合理控制燒成溫度，減少窯內熱力型NOX的形成。

（4）對全系統進行密封堵漏，防止漏風，避免噴入的煤粉在過氧條件下燃燒，出現高溫結皮，進而影響脫硝效率及系統燃燒的正常運行。

（5）進一步調整噴煤量、C4分料量及三次風用量，找出三者之間的最佳匹配量。我公司實踐表明，分解爐出口溫度不宜過高，不然會造成窯尾頻繁結皮。改造后，我公司確定的最佳控制參數為：分解爐出口溫度在860℃～870℃，窯頭煤與窯尾煤的比例在4.2：5.8～4.5：5.5，C4 下料管中生料100%經上提之后再下料，三次風閘板開度45%。

5 改造效果

（1）改造后，在正常生產情況下，水泥窯煙氣NOX排放要求＜100mg/Nm3時，氨水（濃度20%）用量約4.1kg/t.cl，氨水用量較技改前節省50%以上，節氨效果顯著。

（2）改造前，生產線氨逃逸濃度平均值為1.71mg/Nm3，≯8mg/Nm3合格率93.42%；改造后，生產線氨逃逸濃度平均值為0.27mg/Nm3，≯8mg/Nm3合格率100%。

（3）改造后，運行參數更加優化，系統運行期內，產品質量穩定性提升，對原SNCR 脫硝噴氨系統及生產線運行無負面影響。

（4）改造前，熟料游離氧化鈣合格率86.2%（游離氧化鈣控制指標≤1.5%），3d 抗壓強度29.3MPa，28d 抗壓強度57.4MPa，窯產量232.2t/h。改造后，熟料游離鈣合格率85.6%（游離氧化鈣控制指標≤1.5%），3d 抗 壓 強 度 28.9MPa，28d 抗 壓 強 度57.2MPa，窯產量231.7t/h。改造前后上述指標變化不大，改造對窯系統產質量基本無影響。

（5）本次技術改造無二次污染，沒有污染物或副產物生成。

6 結語

在降低氮氧化物排放的改造中，采取以增加分解爐還原區、延長還原反應時間為主，以分散物料、提高反應效率為輔的思路，改造過程簡單，后期運行費用低。生產實踐顯示，分級燃燒低氨脫硝技術可還原窯內產生的熱力型NOX，抑制燃料型NOX的生成，可從源頭有效降低NOX的產生。