水泥窯分級(jí)燃燒與SNCR復(fù)合脫硝應(yīng)用實(shí)例

田立柱，李寅明，劉鵬飛，郝利煒，王圖強(qiáng)，陳曉東

（1.北京金隅股份有限公司，北京 100013；2.固廢資源化利用與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100041）

0 引 言

2015年2月15日河北省發(fā)布新的地方標(biāo)準(zhǔn)《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，地方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定現(xiàn)有水泥窯氮氧化物排放限值為260mg/Nm3，并于2015年7月1日?qǐng)?zhí)行。

本項(xiàng)研究的目標(biāo)企業(yè)是河北金隅鼎鑫水泥有限公司三分公司。該公司是一條5500t/d生產(chǎn)線，二檔短回轉(zhuǎn)窯，分解爐為TTF爐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2014年10月之前，三公司水泥窯氮氧化物排放濃度為310mg/Nm3，氨水用量為22L/min～24L/min，且SNCR系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到噴氨量極限。通過2014年金隅集團(tuán)項(xiàng)目《高能效低氮燃燒預(yù)熱分解系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用》的研究成果在三公司實(shí)施，至2015年1月三公司水泥窯氮氧化物排放濃度為284mg/Nm3，氨水用量為21L/min，完成了2014年集團(tuán)項(xiàng)目的考核指標(biāo)。但面對(duì)2015年7月1日?qǐng)?zhí)行新的大氣排放標(biāo)準(zhǔn)，其氮氧化物排放濃度將不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求，急需研究新技術(shù)并進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)升級(jí)。

鼎鑫三分公司與集團(tuán)研究院成立了技術(shù)攻關(guān)課題組，經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析、技術(shù)溝通，確定了研究技術(shù)路線，開展了相關(guān)研究并提出技術(shù)改進(jìn)方案，完成了開發(fā)設(shè)計(jì)。通過對(duì)空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒組合創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)，結(jié)合SNCR技術(shù)組合工藝，大幅度降低窯尾煙囪氮氧化物的排放濃度。

1 項(xiàng)目實(shí)施及效果

1.1 項(xiàng)目實(shí)施前現(xiàn)狀

該項(xiàng)目實(shí)施的5500t/d生產(chǎn)線，熟料實(shí)際產(chǎn)量為6300t/d～6500t/d，分解爐為在線三噴騰DD型分解爐，分解爐為三段爐體帶鵝頸管。在項(xiàng)目實(shí)施前水泥窯尾氮氧化物排放濃度水平為284mg/Nm3，氨水用量為21L/min（氨水濃度為21%，因項(xiàng)目實(shí)施后氨水濃度發(fā)生波動(dòng)，為便于對(duì)比分析，也折算至21%進(jìn)行計(jì)算）。原有系統(tǒng)帶有三次風(fēng)分級(jí)脫硝系統(tǒng)，但幾乎無脫硝效果。

1.2 項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

（1）熱工測(cè)試反求分析。

該公司預(yù)分解系統(tǒng)帶有一套空氣分級(jí)燃燒系統(tǒng)，但在使用過程中脫硝效果不佳，雖經(jīng)過多次調(diào)整但幾乎沒有脫硝效果。為了找出現(xiàn)有空氣分級(jí)系統(tǒng)存在的問題，準(zhǔn)確掌握空氣分級(jí)燃燒系統(tǒng)的還原區(qū)停留時(shí)間，項(xiàng)目組對(duì)燒成系統(tǒng)進(jìn)行了熱工測(cè)試，通過反求計(jì)算得到了燒成系統(tǒng)的隱參數(shù)（見表1和表2）。根據(jù)原有的分解爐結(jié)構(gòu)參數(shù)和空氣分級(jí)設(shè)計(jì)圖紙，計(jì)算得到原有空氣分級(jí)燃燒的還原區(qū)時(shí)間約為1.58s，這較通常要求的還原區(qū)停留時(shí)間2.5s～4.5s存在著差距。

表1 分解爐系統(tǒng)各部位流量計(jì)算

表2 分解爐系統(tǒng)各部位隱參數(shù)計(jì)算

（2）空氣分級(jí)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

由于原有空氣分級(jí)系統(tǒng)的還原區(qū)停留時(shí)間為1.58s，還原區(qū)停留時(shí)間較短，CO還原NOx的反應(yīng)時(shí)間不足。通過對(duì)該公司所用的煤的熱值、揮發(fā)分和固定碳含量的工業(yè)分析，以及煤的燃燒特性分析，所得結(jié)論是需將還原區(qū)停留時(shí)間延長(zhǎng)至2.5s以上，保證較為充分的還原區(qū)停留時(shí)間，方可取得較高效率的氮氧化物減排效果。

圖1 空氣分級(jí)燃燒系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)圖

實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)果是通過三次風(fēng)分級(jí)管道向分解爐上部延伸，延長(zhǎng)了還原區(qū)停留時(shí)間，達(dá)到了2.5s以上。結(jié)合工廠原有空氣分級(jí)的管道直徑和分解爐的結(jié)構(gòu)、煙氣在還原區(qū)的氣體停留時(shí)間進(jìn)行分析計(jì)算，完成了空氣分級(jí)的工藝設(shè)計(jì)（見圖1和圖2）。

（3）燃料后燃分級(jí)燃燒。

根據(jù)燃料分級(jí)再燃脫硝機(jī)理，按照最大分煤比例占分解爐總用煤25%計(jì)算，入分解爐煤粉管道風(fēng)速28m/s，確定了燃料后燃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，具體設(shè)計(jì)見圖3。

1.3 項(xiàng)目實(shí)施效果

通過對(duì)空氣分級(jí)系統(tǒng)和分解爐燃料系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)施改造，在調(diào)試過程中對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的范圍進(jìn)行摸索，最終確定了各項(xiàng)參數(shù)的理想范圍。表3為系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果。

表3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

在保證熟料產(chǎn)量、熟料質(zhì)量不受影響的前提下，主要對(duì)三次風(fēng)分級(jí)燃燒上脫氮管閘板開度、燃料后燃分煤器開度經(jīng)過調(diào)試得到了各項(xiàng)參數(shù)的最佳范圍，三次風(fēng)分級(jí)脫硝管開度為35%～45%，煤粉后燃分煤器開度為15%左右。

圖2 空氣分級(jí)燃燒改造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖片

圖4和圖5是同一時(shí)間段連續(xù)8d統(tǒng)計(jì)的氮氧化物排放濃度和氨水消耗量數(shù)據(jù)。由圖4可知0～136h時(shí)氮氧化物的排放濃度能夠穩(wěn)定在230mg/Nm3，且大多在180mg/Nm3左右，結(jié)合圖5可以看出，在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)氨水的流量均在20L/min以下；在136h～192h時(shí)氮氧化物的排放濃度能夠穩(wěn)定在200mg/Nm3以下，對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)氨水的流量均在18.5L/min以下。通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)改造后系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氮氧化物排放濃度低于230mg/Nm3、氨水流量低于20L/min的目標(biāo)。這期間，熟料產(chǎn)質(zhì)量沒有下降，熱耗沒有上升，窯況運(yùn)行穩(wěn)定。

圖3 燃料后燃分級(jí)燃燒系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)圖

圖4 水泥窯尾環(huán)保監(jiān)測(cè)點(diǎn)氮氧化物的排放濃度（mg/Nm3）

圖5 氨水用量（L/min）

2 總 結(jié)

（1）通過對(duì)該公司原有的三次風(fēng)分級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行改造，并增設(shè)燃料分級(jí)系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)試后系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，形成了三次風(fēng)分級(jí)+燃料分級(jí)+SNCR脫硝技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合脫硝技術(shù)，且未對(duì)熟料產(chǎn)量、熟料質(zhì)量、熱耗以及窯況產(chǎn)生影響。

（2）調(diào)整優(yōu)化后三次風(fēng)分級(jí)脫硝管開度為35%～45%，煤粉后燃分煤器開度為15%左右。

（3）改造后系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氮氧化物排放濃度低于230mg/Nm3、氨水流量低于20L/min的目標(biāo)，工況穩(wěn)定時(shí)可達(dá)到氮氧化物排放濃度低于200mg/Nm3、氨水流量低于18.5L/min的水平。