多元耦合低氮燃燒技術(shù)在陶瓷工業(yè)的應(yīng)用

韓復(fù)興 楊立輝 段延山

摘 要：以安陽貝利泰為例分別介紹低氮燃燒技術(shù)在燒成窯爐、噴霧干燥塔方面的應(yīng)用，同時(shí)介紹了安陽貝利泰特有的低溫快燒工藝技術(shù)、煙氣循環(huán)利用技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)陶瓷工業(yè)清潔生產(chǎn)，尤其是實(shí)現(xiàn)低氮燃燒、超低排放具有重要意義。

關(guān)鍵詞：低氮燃燒技術(shù);多元耦合;低溫快燒;煙氣再循環(huán);余熱利用

1 前 言

低氮氧化物燃燒技術(shù)是改進(jìn)燃燒設(shè)備或控制燃燒條件，以降低燃燒尾氣中NOx濃度的各項(xiàng)技術(shù)。影響燃燒過程中NOx生成的主要因素是燃燒溫度、煙氣在高溫區(qū)的停留 時(shí)間、煙氣中各種組分的濃度以及混合程度，因此，改變空氣-燃料比、燃燒空氣的溫度、燃燒區(qū)冷卻的程度和燃燒器 的形狀設(shè)計(jì)都可以減少燃燒過程中氮氧化物的生成。工業(yè)上多以減少過剩空氣和采用分段燃燒、煙氣循環(huán)和低溫空氣預(yù)熱、特殊燃燒器等方法達(dá)到目的。

國外上世紀(jì)從50 年代起就開始了燃燒過程中氮氧化物生成機(jī)理和控制方法的研究。到70 年代末和80 年代，低NOx 燃燒技術(shù)的研究和開發(fā)達(dá)到高潮，開發(fā)出了低NOx 燃燒器等實(shí)用技術(shù)。進(jìn)入90 年代，有關(guān)電站鍋爐供貨商又對(duì)其開發(fā)的低NO x 燃燒器做了大量的改進(jìn)和優(yōu)化工作， 使其日臻完善[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，低氮氧化物燃燒技術(shù)呈現(xiàn)多元耦合技術(shù)特征。

在陶瓷窯爐燃燒所產(chǎn)生的各種大氣污染物中，氮氧化物的危害最大;同時(shí)也最難治理[2]。當(dāng)前普遍存在重視末端治理，而忽視燃燒控制技術(shù)的現(xiàn)象。這也是導(dǎo)致治理成本大幅攀升，出口成本優(yōu)勢(shì)急劇下降的主要原因之一。因此重視燃燒控制技術(shù)，尤其是低氮燃燒技術(shù)顯得比較重要和迫切。下面以安陽貝利泰為例分析低氮燃燒技術(shù)在陶瓷工業(yè)的應(yīng)用。

2 耦合低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

2.1一分廠應(yīng)用實(shí)踐

一廠始建于2013年，采用初級(jí)耦合低氮氧化物綜合燃燒技術(shù)，脫硝效率高達(dá)85%，技術(shù)特征和路線如下：

（1）采用綠色低氮天然氣作為燃料，降低燃料源;

（2）采用無氮陶瓷原料，杜絕原料源;

（3）采用低溫快燒燃燒技術(shù)，減少熱力型氮氧化物產(chǎn)生;

（4）窯爐采用高效余熱利用技術(shù);

（5）窯爐采用分段式預(yù)混低氮燃燒技術(shù)（LND）系統(tǒng);

（6）窯爐燒成工藝采用高溫段還原氣氛，低溫段氧化氣氛的分段燃燒技術(shù);

（7）噴霧干燥塔熱風(fēng)爐采用分割火焰燃燒器+低溫燃燒控制技術(shù)（≯720℃）;

（8）煙氣脫硝采用SCR催化低溫脫硝工藝。

2.2二分廠應(yīng)用實(shí)踐

二廠采用的意大利薩克米公司最先進(jìn)的綠色智慧工藝技術(shù)裝備和技術(shù)路線，2020年3月投產(chǎn)，代表著國際最高水平的工業(yè)4.0示范工廠，耦合最新綠色生產(chǎn)技術(shù)，屬于高級(jí)耦合低氮氧化物綜合燃燒技術(shù)，脫硝率高達(dá)99.5%，技術(shù)特征和路線如下：

（1）繼續(xù)做好原燃料氮源入口關(guān);

（2）繼續(xù)采用低溫快燒燃燒技術(shù)，減少熱力型氮氧化物產(chǎn)生;

（3）窯爐燒成工藝?yán)^續(xù)采用高溫段還原氣氛，低溫段氧化氣氛的分段燃燒技術(shù);

（4）窯爐采用雙層節(jié)能輥道窯、干燥窯采用七層節(jié)能干燥窯、噴霧干燥塔塔采用AI人工智能節(jié)能計(jì)算系統(tǒng);

（5）窯爐、干燥窯、噴霧干燥塔采用最先進(jìn)的保溫材料和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能減排;

（6）窯爐采用高效余熱利用技術(shù)、分段式預(yù)混低氮燃燒技術(shù);

（7）窯爐煙氣經(jīng)預(yù)熱、SCR催化低溫脫硝后，300℃煙氣送入噴霧干燥塔再循環(huán);

（8）噴霧干燥塔熱風(fēng)爐采用“熱煙氣再循環(huán)+天然氣分階段”耦合低氮燃燒器;

（9）五層干燥窯采用催化燃燒無焰遠(yuǎn)紅外低氮燃燒器。

3 分 析

3.1低溫快燒生產(chǎn)工藝技術(shù)

眾所周知，氮氧化物主要來源為熱力型助燃空氣源，降低燒成溫度，縮短燒成周期，尤其是高溫區(qū)時(shí)間，可以大幅度降低熱力型空氣源氮氧化物的產(chǎn)生。燃燒溫度低于720℃，不會(huì)產(chǎn)生氮氧化物;燃燒溫度在720℃～1000℃時(shí)，在催化劑作用下才，且空氣過剩系數(shù)較高時(shí)，有微量氮氧化物產(chǎn)生;燃燒溫度在1000℃～1200℃時(shí)，在催化劑存在條件下，且空氣過剩系數(shù)較高時(shí)，才有極少量氮氧化物產(chǎn)生;燃燒溫度高于1200℃以上，在空氣過剩系數(shù)較高時(shí)，無需催化劑有少量氮氧化物產(chǎn)生;在燃燒溫度高于1400℃以上，才有大量氮氧化物產(chǎn)生。貝利泰素?zé)郎囟?080℃和釉燒溫度1060℃，均遠(yuǎn)低于1200℃，燒成周期均小于35min，已經(jīng)大幅度降低了氮氧化物的產(chǎn)生。

貝利泰一廠生產(chǎn)陶質(zhì)小規(guī)格釉面磚，利用周邊地區(qū)：透輝石、石英、堿干、瓷土、煤矸石等原料，研制出低溫快燒生產(chǎn)工藝，其中素?zé)郎囟取?090C°，周期25min～35min之間;釉燒溫度在1050C～1060C°之間，周期25min～35min之間。貝利泰二廠生產(chǎn)瓷質(zhì)仿古地板磚，利用周邊地區(qū)：磁石、堿干、瓷土、煤矸石等原料，研制出一次燒低溫快燒生產(chǎn)工藝，其中最高溫度≯1190C°，周期40min～55min之間。采用低溫生產(chǎn)工藝是從溫度和時(shí)間上保證極少量氮氧化物產(chǎn)生的根本。

3.2高溫還原低溫氧化生產(chǎn)工藝

陶瓷磚在輥道窯內(nèi)的燒成包括以下步驟：抽濕排潮（110C°～250C°）——預(yù)熱干燥（250C°～650C°）——氧化分解（650C°～1050C°）——燒結(jié)燒成（1050C°～1230C°）——急速冷卻（1080C°～650C°）——緩慢冷卻（650C°～250C°）——緩慢冷卻（250C°～50C°）。其中加熱步驟有：預(yù)熱干燥、氧化分解、燒結(jié)燒成三個(gè)階段，而預(yù)熱干燥又是利用煙氣余熱干燥，不需要燃燒器和燃料燃燒。所以真正需要加熱的階段只有：氧化分解段（650C°～1050C°）和燒結(jié)燒成段（1050C°～1230C°）。氧化分解段由于碳酸鹽、有機(jī)物質(zhì)需要燃燒分解，所以需要過量的空氣剩余系數(shù)，而在高溫的燒結(jié)燒成段（1050C°～1230C°）完全可以采用還原氣氛燒成，這樣可以從理論上解決氮氧化物在產(chǎn)生。實(shí)際上貝利泰由于采用了高溫階段還原燒成技術(shù)，而大幅降低了氮氧化物的產(chǎn)生。

3.3分段式預(yù)混低氮燃燒技術(shù)

一廠窯爐冷卻帶的余熱風(fēng)送給助燃風(fēng)機(jī)，并由助燃風(fēng)機(jī)送入冷卻段前段進(jìn)行換熱，在急冷及緩冷段之間單獨(dú)設(shè)置助燃風(fēng)換熱段，這樣減少急冷風(fēng)干擾，使得助燃風(fēng)溫度波動(dòng)減小，使助燃風(fēng)的溫度可達(dá)300℃，與加熱至200℃相比可節(jié)能3%左右，可以實(shí)現(xiàn)能源綜合利用，大幅降低空氣燃料比，降低燃燒系數(shù)，降低空氣與燃料混合時(shí)間，大幅減少氮氧化物的產(chǎn)生。

分級(jí)燃燒的原理是將燃燒過程分階段進(jìn)行， 首先將從主燃燒器供入爐膛的空氣減少到總?cè)紵諝饬康?0%～75%， 相當(dāng)于理論空氣量的80%， 此時(shí)的α<1， 使燃料先在缺氧條件下燃燒， 在還原性氣氛中降低NOx 生成速率。完全燃燒所需要的其余空氣量則通過布置在主燃燒器上方的空氣噴入口“火上風(fēng)”送入爐膛， 與一級(jí)燃燒區(qū)所產(chǎn)生的煙氣混合， 最終在α>1 的條件下完成全部燃燒過程。

貝利泰的分段式預(yù)混低氮燃燒技術(shù)，還有一個(gè)特點(diǎn)就是助燃風(fēng)經(jīng)過熱交換加熱至300℃，進(jìn)一步減少空氣過剩系數(shù)，降低氮氧化物產(chǎn)生。

3.4低溫低氮燃燒器工藝

貝利泰一期噴霧干燥塔采用低溫低氮燃燒器，爐膛最高溫度700℃，塔頂入口最高溫度650℃，徹底杜絕熱力型空氣源氮氧化物的產(chǎn)生。同時(shí)該方法依照《陶瓷制品制造業(yè)污染防治可行技術(shù)指南》（HJ2304-2018）之5.2 污染治理技術(shù)之5.2.1.6 噴霧干燥塔煙氣治理組合技術(shù)之c）噴霧干燥塔煙氣袋式除塵治理技術(shù) 適用于只采用除塵技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的噴霧干燥塔煙氣污染治理。通常針對(duì)以天然氣或低硫煤為燃料的噴霧干燥塔，且其熱風(fēng)爐排煙溫度一般不大于720 ℃。噴霧干燥塔煙氣經(jīng)袋式除塵后排放，其中，袋式除塵前可選配旋風(fēng)除塵，袋式除塵后可選配噴淋除塵[3]。除塵效率通常不小于99%。

貝利泰二期干燥窯摒棄了傳統(tǒng)的窯爐煙氣余熱干燥技術(shù)，而是采用了催化燃燒無焰遠(yuǎn)紅外低氮燃燒技術(shù)和五層干燥窯，人工智能輔助技術(shù)設(shè)計(jì)干燥制度、燃燒溫度200℃～300℃，溫度穩(wěn)定，可靠程度高、干效率高、生產(chǎn)成品率高、占地面積小，達(dá)到了超低排放。

貝利泰二期噴霧干燥塔熱風(fēng)爐，采用窯爐SCR催化低溫脫硝后的煙氣，煙氣溫度高達(dá)300℃具有高的熱利用價(jià)值，同時(shí)采用“熱煙氣再循環(huán)+天然氣分階段”耦合低氮燃燒器，實(shí)現(xiàn)了超低排放。

4 結(jié) 論

生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展既是我國的基本國策，也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、轉(zhuǎn)型發(fā)展的必經(jīng)之路。多元耦合低氮燃燒技術(shù)可以從源頭上有效解決陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、石墨碳素、鋼鐵等行業(yè)窯爐節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、脫硝等難題，也是實(shí)現(xiàn)大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)、落實(shí)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的核心武器。多元耦合低氮燃燒技術(shù)在貝利泰的五年實(shí)踐表明：

（1）多元耦合低氮燃燒技術(shù)是系統(tǒng)解決產(chǎn)業(yè)共性問題、瓶頸問題、重大發(fā)展問題的綜合方案，具有信息、管理、技術(shù)、系統(tǒng)等特征，不能孤立為一種技術(shù)或一套方案，而是一種不斷完善的技術(shù)管理體系。

（2）多元耦合低氮燃燒技術(shù)在貝利泰的應(yīng)用實(shí)踐是成功的，達(dá)到了超低排放的效果，也起到了標(biāo)桿示范作用。

（3）在陶瓷行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐表明，多元耦合低氮燃燒技術(shù)的根本是生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)，包括低溫快燒工藝、高溫還原低溫氧化工藝和煙氣在循環(huán)工藝，其次關(guān)鍵設(shè)備的綠色智慧程度和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用程度，譬如分段式預(yù)混低氮燃燒技術(shù)、熱交換余熱利用技術(shù)、催化燃燒無焰遠(yuǎn)紅外低氮燃燒技術(shù)和低溫低氮燃燒技術(shù)及燃燒器、燒嘴及控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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