回轉(zhuǎn)窯燃燒器降低氮氧化物機(jī)理分析

李　寧，趙　亮

回轉(zhuǎn)窯燃燒器降低氮氧化物機(jī)理分析

李寧1，趙亮2

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氮氧化物（NOX）生成量占水泥廠NOX總生成量的比例相對(duì)較小，且僅產(chǎn)生因窯內(nèi)高溫而形成的熱力型NOX，并可通過(guò)正確選用燃燒器得到有效控制。本文通過(guò)闡述回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOX的形成過(guò)程，以中材裝備集團(tuán)有限公司的大推力燃燒器為例進(jìn)行了機(jī)理分析。

回轉(zhuǎn)窯；燃燒器；氮氧化物

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料的煅燒要求窯內(nèi)必須保證一定的高溫，這種情況必然會(huì)產(chǎn)生NOX。在保證熟料產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)，降低窯內(nèi)NOX生成量是燃燒器技術(shù)的關(guān)鍵，采用合理的火焰溫度場(chǎng)分布，控制高溫峰值是行之有效的方法。

1　NOX的形成機(jī)理

1.1燃料燃燒機(jī)理

燃料在燃燒過(guò)程中將產(chǎn)生NOX，依據(jù)其形成機(jī)理可分為三種類型：

（1）熱力型NOX

通常把熱力型NOX稱為溫度型NOX，在溫度＜1 500K時(shí)，熱力型NOX的形成量極少，隨著溫度的升高，熱力型NOx的生成量將顯著上升。當(dāng)溫度＞2 200K以后，形成的主要就是熱力型NOX。

其次，熱力型NOX的形成和空氣過(guò)剩系數(shù)也有很大關(guān)系，隨著氧氣含量的增加，在高溫下氧分子分解形成氧原子，引發(fā)NOX發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的幾率也大大增加。增加燃燒空氣的供應(yīng)量通常會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度的降低，因此可以認(rèn)為在理想的燃燒條件下，僅當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)a接近等化學(xué)當(dāng)量的條件時(shí)，熱力型NOx具有最大的形成速度。由于燃燒過(guò)程中總是燃料和空氣邊混合邊燃燒，因此在實(shí)際的擴(kuò)散火焰中，最大的熱力型NOx形成量總是偏移出現(xiàn)在a＞1的區(qū)域內(nèi)。

（2）快速型NOX

快速型NOX又稱為瞬時(shí)NOX，它的形成往往要求在火焰的鋒面上有大量的碳?xì)浠衔镒鳛榉磻?yīng)物。通常條件下，快速型NOX的形成量占總NOX形成量的比例很小，一般≯1%，因此在技術(shù)分析過(guò)程中常常忽略快速型NOx的影響。

（3）燃料型NOx

溫度在1 100K以下時(shí)形成的NOX可以認(rèn)為全部是燃料中的有機(jī)氮元素氧化形成的，通常對(duì)煤粉的燃燒過(guò)程來(lái)說(shuō)，煤炭中的氮元素含量波動(dòng)范圍在0.5%～2.5%之間，當(dāng)燃燒溫度＞2 200K時(shí)，NOX總量中將不再有燃料型NOX的存在。

1.2燃料燃燒過(guò)程

煤粉的燃燒通常是以煤粉群的形式進(jìn)行燃燒反應(yīng)。其燃燒過(guò)程可以大致分為三個(gè)階段：

（1）煤粉的升溫過(guò)程。

（2）在較低的溫度下?lián)]發(fā)分釋放并開(kāi)始著火，依據(jù)著火的方式，可以分為揮發(fā)分穩(wěn)定著火的均相著火和揮發(fā)分、半焦并行著火的非均相著火。

（3）揮發(fā)分完成燃燒后，焦炭持續(xù)燃燒直至結(jié)束。

煤粉燃燒的三個(gè)階段生成的主要是燃料型NOX和熱力型NOX，燃料型NOX主要出現(xiàn)在第二階段前期，這時(shí)揮發(fā)分大量釋放并迅速進(jìn)行燃燒反應(yīng)；以NH3和HCN形式釋放的中間物質(zhì)和燃燒形成的活性基團(tuán)快速完成反應(yīng)形成燃料型NOX或者N2。隨著揮發(fā)分的燃燒以及周圍高溫?zé)煔鈱?duì)半焦顆粒的進(jìn)一步加熱，焦炭開(kāi)始著火，形成明顯的火焰面，碳原子的劇烈燃燒導(dǎo)致燃燒溫度迅速上升，此時(shí)在火焰鋒面及下游的附近區(qū)域內(nèi)，熱力型NOX開(kāi)始大量形成。隨著碳原子離開(kāi)主燃燒區(qū)域進(jìn)入燃盡階段，燃燒溫度相對(duì)較低，氧氣濃度也處于較低水平，這時(shí)焦炭表面一方面繼續(xù)形成焦炭NOX，同時(shí)也伴隨著NOX被焦炭還原分解的過(guò)程，導(dǎo)致NOX濃度的下降。

2　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)NOX的形成機(jī)理

水泥生產(chǎn)線上的NOX主要是由于燃料的燃燒形成的，NOX產(chǎn)生量和燃料的用量成比例關(guān)系增加，通常分解爐燃料用量占60%，回轉(zhuǎn)窯燃料用量占40%。分解爐中燃燒溫度相對(duì)較低，主要是燃料型NOX，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)主要是熱力型NOX。本文僅談回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熱力型NOX。

不同種類的煤粉在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒形成的NOX分布是不一樣的，以中材裝備集團(tuán)有限公司的大推力燃燒器為例，在軸流風(fēng)速為310m/s時(shí)的工況下，模擬貧煤和煙煤的NOX分布以及溫度場(chǎng)分布情況見(jiàn)圖1和圖2。

圖1　不同煤種燃燒的NOX分布情況

圖2　不同煤種燃燒的溫度場(chǎng)分布情況

由圖1和圖2的對(duì)比可見(jiàn)，通過(guò)模擬計(jì)算回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的NOX分布與溫度場(chǎng)分布，結(jié)果對(duì)應(yīng)度非常高。在火焰形成過(guò)程中，煤粉的揮發(fā)分燃燒區(qū)域和固定碳燃燒區(qū)域形成了兩個(gè)明顯的NOX高濃度區(qū)，前者為燃料中的有機(jī)N隨揮發(fā)分的析出而參與反應(yīng)形成HCN、NO等中間相或終產(chǎn)物，后者則是隨著固定碳的燃燒形成的高溫區(qū)域產(chǎn)生大量熱力型NOX。

3　燃燒器降低NOX機(jī)理分析

針對(duì)窯頭燃燒器而言，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)以熱力型NOX為主，在滿足系統(tǒng)正常煅燒的情況下，唯一的措施就是控制窯內(nèi)高溫區(qū)域峰值。

回轉(zhuǎn)窯燃燒器的火焰形狀與頭部結(jié)構(gòu)及工況設(shè)置息息相關(guān)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的燃燒器可以改善火焰形狀，調(diào)節(jié)窯內(nèi)溫度分布，從而達(dá)到降低溫度峰值、降低NOX排放的作用。

燃燒器的管道組成通常包括：軸流風(fēng)（俗稱外風(fēng)）、煤風(fēng)、旋流風(fēng)（俗稱內(nèi)風(fēng)）。一般而言，軸流風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)速配置決定了火焰的著火和前端的擴(kuò)散情況。在軸流風(fēng)速一定的情況下，風(fēng)量越大，則火焰形狀越集中、越細(xì)，相對(duì)著火時(shí)間也會(huì)延遲；風(fēng)量越小，則火焰擴(kuò)散能力越強(qiáng)，相對(duì)著火時(shí)間也會(huì)提前。

以中材裝備集團(tuán)有限公司的大推力燃燒器為例，在軸流風(fēng)速一定的情況下，工況1設(shè)定軸流風(fēng)比例為51%，工況2設(shè)定軸流風(fēng)比例為45%，兩種工況的模擬結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。可見(jiàn)大軸流風(fēng)量下，火焰更加集中，著火速度更快，燃燒區(qū)域更集中。如果一味降低軸流風(fēng)量，則火焰綿軟無(wú)力，煤粉燃燒速度過(guò)慢，煅燒不足。

圖3　溫度場(chǎng)分布情況

圖4　橫截面平均溫度分布

為了使燃燒器保持一定的推力，同時(shí)盡量減少過(guò)剩空氣量，唯一的辦法就是提高風(fēng)速，尤其是外風(fēng)的風(fēng)速。而對(duì)于不同煤種的煅燒，其對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量的要求也不同。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)主要是因高溫煅燒而形成的熱力型NOX，因此，窯頭燃燒器降低NOX的唯一辦法就是降低固定碳燃燒區(qū)域熱量的集中釋放，無(wú)論從徑向還是軸向上都達(dá)到溫度的均勻分布，以實(shí)現(xiàn)NOX低排放的目的。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煤粉在保證充分燃燒的同時(shí)還要求有均勻的溫度場(chǎng)分布，燃燒器設(shè)計(jì)必須做到針對(duì)性、個(gè)性化。不同的煤粉，其燃燒特性各不相同，煤粉的燃盡時(shí)間、著火點(diǎn)、放熱峰值、放熱強(qiáng)度等直接影響了其燃燒時(shí)的熱力分布情況。只有做到將燃燒器的設(shè)計(jì)與煤粉的燃燒特性相匹配，才能更好地實(shí)現(xiàn)煅燒與NOX低排放的目的。

中材裝備集團(tuán)有限公司燃燒器研究所能分析不同煤粉的燃燒特性，真正做到了針對(duì)性的設(shè)計(jì)。燃燒器軸流風(fēng)最高風(fēng)速可達(dá)330m/s（通過(guò)可壓縮流流體計(jì)算得到），將整體燃燒器推力提升至1 500～1 800%m/s。同時(shí)，更高的軸流風(fēng)速能加大對(duì)二次風(fēng)的卷吸力度，進(jìn)一步強(qiáng)化著火，降低固定碳燃燒區(qū)域的熱釋放，使溫度場(chǎng)分布更加均勻，從而有效地降低熱力型NOX的產(chǎn)生。

同一組煤粉參數(shù)以大推力燃燒器（工況1）和傳統(tǒng)燃燒器（工況2）進(jìn)行模擬對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6和圖7，數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖5　溫度場(chǎng)分布情況

圖6　橫截面平均溫度分布

圖7　橫截面最高溫度分布

表1　最高溫度分布

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，大推力燃燒器著火較強(qiáng)，著火后火焰均勻燃燒，帶動(dòng)固定碳部分進(jìn)一步燃燒放熱，整體放熱區(qū)域均勻，同時(shí)火焰較短，其中在窯軸向17m的位置完成熱量釋放，較好地實(shí)現(xiàn)了熟料的煅燒。而傳統(tǒng)燃燒器，燃燒區(qū)域相對(duì)集中，在揮發(fā)分及固定碳燃燒區(qū)域均存在集中燃燒區(qū)域，溫度峰值高，火焰偏細(xì)長(zhǎng)，擴(kuò)散不足，同時(shí)易產(chǎn)生高NOX量。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，只有做到將回轉(zhuǎn)窯燃燒器的設(shè)計(jì)與煤粉的燃燒特性相匹配，才能有效地降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)NOX形成量，并且盡可能地使火焰溫度均勻化，控制火焰高溫峰值，以達(dá)到降低熱力型NOX的目的。簡(jiǎn)單而言，煅燒煙煤時(shí)要求相對(duì)高的軸流風(fēng)量和中等的風(fēng)速，煅燒無(wú)煙煤時(shí)則需要相對(duì)較低的風(fēng)量和較高的軸流風(fēng)速。中材裝備集團(tuán)有限公司的燃燒器針對(duì)不同煤粉做出了個(gè)性化的設(shè)計(jì)，真正達(dá)到了與煤粉燃燒特性相匹配的要求，其在火焰形狀控制、NOX控制方面有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)較短粗的火焰更加符合目前大部分廠家追求的薄料快燒的操作理念，有利于節(jié)能降耗，提高水泥質(zhì)量?！?/p>

Mechanism Analysis of NOXReduction in Kiln Burner

TQ172.625.3

A

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2016-04-12；編輯：趙星環(huán)