水泥窯煙氣脫硝系統(tǒng)的實(shí)踐

王學(xué)忠，張曉蒙，張璐衡，田文軍，劉鵬玉

1 前言

NOx是環(huán)保重點(diǎn)管控指標(biāo)之一，新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)燒結(jié)溫度高，過?？諝饬看?，NOx排放濃度高且灰量大，使NOx脫硝工程面臨著艱巨的挑戰(zhàn)。目前用于控制水泥回轉(zhuǎn)窯NOx排放的技術(shù)大多采用選擇性非催化還原SNCR技術(shù)，但SNCR技術(shù)脫氮效率低，日常投入費(fèi)用高。本文介紹了水泥窯煙氣脫硝窯頭燒成和窯尾燒成系統(tǒng)改造的技術(shù)原理和技術(shù)方案，采用窯頭低氮煤粉燃燒技術(shù)可實(shí)現(xiàn)降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOx生成量，采用窯尾分解爐高強(qiáng)還原燃燒控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOx高強(qiáng)還原，大大降低了NOx生成量，兩項(xiàng)技術(shù)的使用可實(shí)現(xiàn)脫硝效率60%以上，大大降低了NOx排放濃度和排放總量，降低了氨水用量和脫硝成本。

2 水泥窯煙氣脫硝系統(tǒng)技術(shù)原理

2.1 窯頭低氮煤粉燃燒技術(shù)原理

窯頭燒成系統(tǒng)采用低氮燃燒控制技術(shù)，通過控制窯頭燃燒器火焰的高溫動(dòng)態(tài)時(shí)間，減少氮?dú)夂脱鯕庠诟邷貐^(qū)的反應(yīng)時(shí)間，從NOx的反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)介質(zhì)上控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)NOx的生成量。

窯頭燒成系統(tǒng)采用一次風(fēng)量＜6%的低氮節(jié)能燃燒器，可保證煤粉充分燃燒的情況下有效減少多余一次風(fēng)進(jìn)入窯內(nèi)，有利于加快煤粉著火速率。較少的一次風(fēng)用量不但可以降低煤耗和電耗，而且可以降低燃燒器高風(fēng)速與窯內(nèi)低風(fēng)速速率差所造成的大量空氣聚集而形成的峰值溫度，減少回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOx的生成量。

2.2 窯尾分解爐高強(qiáng)還原燃燒控制技術(shù)原理

圖1 低氮節(jié)能燃燒器頭部實(shí)物圖

窯尾燒成系統(tǒng)采用分解爐高強(qiáng)還原燃燒控制技術(shù)和窯頭窯尾用煤量?jī)?yōu)化控制技術(shù)，使煤粉在分解爐內(nèi)全部分解，形成大量的CO、CHi、H2、HCN和固定碳等還原劑，將窯內(nèi)產(chǎn)生的熱力型NOx強(qiáng)力還原成N2，從而大幅度減少窯尾煙氣的NOx含量，達(dá)到脫硝的目的。

3 水泥窯煙氣脫硝系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 窯頭低氮煤粉燃燒技術(shù)方案

（1）窯頭燃燒器采用一次風(fēng)量＜6%的低氮節(jié)能燃燒器（圖1），采用低氮煤粉燃燒控制技術(shù)，降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOx生成量。

（2）優(yōu)化窯頭煤粉輸送系統(tǒng)，提高窯頭煤粉輸送的固氣比，降低窯頭煤粉輸送的風(fēng)量，降低燃燒型NOx的生成量。

（3）控制窯頭燃燒器火焰的高溫動(dòng)態(tài)時(shí)間，減少氮?dú)夂脱鯕庠诟邷貐^(qū)的反應(yīng)時(shí)間。從NOx的反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)介質(zhì)上控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)NOx的生成量。

3.2 窯尾分解爐高強(qiáng)還原燃燒控制技術(shù)方案

（1）窯尾煤粉燃燒系統(tǒng)技術(shù)方案

優(yōu)化窯尾煤粉輸送系統(tǒng)，提高窯尾煤粉輸送的固氣比，降低窯尾煤粉輸送的風(fēng)量。

采用高性能專用強(qiáng)旋流擴(kuò)散型窯尾煤粉燃燒器（圖2），優(yōu)化窯尾燃燒器的安裝位置，使擴(kuò)散的煤粉以一定速率旋流進(jìn)入強(qiáng)力還原區(qū)，提高煤粉的分解效果，以產(chǎn)生最多的還原氣氛。

圖2 脫硝專用強(qiáng)旋流擴(kuò)散型窯尾煤粉燃燒器實(shí)物圖

（2）三次風(fēng)管技術(shù)方案

窯尾脫硝燒成系統(tǒng)在分解爐形成的強(qiáng)力還原區(qū)，由三次風(fēng)管與窯尾煙室縮口之間的位置形成，因此，該系統(tǒng)對(duì)于三次風(fēng)管的位置有一定的要求，三次風(fēng)管應(yīng)設(shè)置在分解爐形成強(qiáng)力還原區(qū)的上部。

（3）四級(jí)下料管技術(shù)方案

窯尾脫硝燒成系統(tǒng)需對(duì)四級(jí)旋風(fēng)筒下料管在分解爐下料點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化，四級(jí)旋風(fēng)筒下料管對(duì)分解爐下料點(diǎn)位于三次風(fēng)管之上，高于三次風(fēng)管0.5m以上，將每列單管下料更改為雙管下料，每單列增加一套分料閥、翻板閥、撒料箱及將相應(yīng)的下料管延長(zhǎng)。其目的是將相對(duì)低溫物料下移，吸收還原區(qū)高溫，凝聚窯氣中析出的堿硫等有害成分，防止結(jié)皮。

窯尾脫硝系統(tǒng)技術(shù)改造方案如圖3、圖4所示。

4 水泥窯煙氣脫硝燒成系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

圖3 窯尾脫硝燒成系統(tǒng)技術(shù)改造前示意圖

我公司3 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線TDF分解爐的規(guī)格為φ6.1m×31m，設(shè)計(jì)產(chǎn)量3 000t/d，實(shí)際產(chǎn)量3 400t/d，煙室縮口尺寸φ1 700mm。依照該技術(shù)方案，2019年2月我公司進(jìn)行了煙氣脫硝窯頭燒成系統(tǒng)和窯尾分解爐燒成系統(tǒng)的技術(shù)改造，取得了良好效果。表1為我公司3 000t/d生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯燒成系統(tǒng)脫硝主要參數(shù)，表2為煤粉工業(yè)分析數(shù)值。

（1）更換窯尾送煤風(fēng)機(jī)為75kW風(fēng)機(jī)，增加變頻器調(diào)節(jié)，減少入分解爐冷風(fēng)量（風(fēng)機(jī)具體使用運(yùn)行參數(shù)為：流量：50m3/min；壓力：49kPa；功率：75kW。現(xiàn)有窯尾送煤風(fēng)機(jī)參數(shù)：流量：75m3/min；壓力：88.2kPa；功率：200kW）。電機(jī)必須為防爆電機(jī)，變頻器套柜應(yīng)為進(jìn)口ABB或西門子品牌。

（2）更換窯尾送煤管道，窯尾送煤主路管道改為外徑φ219mm（內(nèi)徑φ203mm），一分三路送煤管道改為外徑φ146mm（內(nèi)徑φ130mm）。

（3）更改窯尾燃燒器為脫硝專用新型旋流擴(kuò)散型分解爐燃燒器。由設(shè)計(jì)單位對(duì)分解爐規(guī)格型號(hào)及煤粉燃燒特性一爐一設(shè)計(jì)，保證煤粉噴射的旋流擴(kuò)散效果，使煤粉迅速擴(kuò)散，均勻混合；將3個(gè)窯尾分解爐燃燒器安裝在分解爐錐體底部天圓地方上部適當(dāng)位置（圖5）。

圖4 窯尾脫硝燒成系統(tǒng)技術(shù)改造后示意圖

表1 窯系統(tǒng)脫硝主要工藝參數(shù)(改造前)

表2 煤粉工業(yè)分析參數(shù)

圖5 分解爐錐部煤管照片

（4）對(duì)C4下料管進(jìn)行調(diào)整，將現(xiàn)有單管下料改造為雙管下料，C4錐體下部下料管上增加分料閥，對(duì)C4上下料比例進(jìn)行調(diào)整。將C4下料管下部入口調(diào)整至天圓地方上部，并設(shè)置撒料板；上部四級(jí)下料管入口調(diào)整至新三次風(fēng)管入口處，并設(shè)置撒料板。

（5）對(duì)煙室縮口尺寸及縮口高度進(jìn)行調(diào)整，煙室縮口尺寸現(xiàn)為1.7m×1.7m，調(diào)整后縮口尺寸為1.85m×1.85m，煙室縮口高度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加高500mm，以縮口內(nèi)部澆筑料砌筑加高，外部不動(dòng)，減緩物料下沉，增加煙室縮口噴騰力，減小煙室粉塵濃度，減小窯運(yùn)行煅燒負(fù)荷。

（6）將原三次風(fēng)進(jìn)口處封閉。在分解爐錐體上方柱體處向上新開三次風(fēng)進(jìn)口通道，重新制作三次風(fēng)進(jìn)風(fēng)通管，連接分解爐上方新通道及膨脹節(jié)，形成新的三次風(fēng)通道，相應(yīng)提高新加三次風(fēng)管角度（圖6）。

（7）更換窯頭燃燒器，更換窯頭凈風(fēng)機(jī)，更換窯頭送煤管道。

a窯頭送煤風(fēng)機(jī)

窯頭送煤風(fēng)機(jī)不變，增加變頻器調(diào)節(jié)減少入窯冷風(fēng)量。具體使用運(yùn)行參數(shù)：流量：30m3/min；壓力：25～30kPa；功率：37kW?，F(xiàn)有窯頭送煤風(fēng)機(jī)參數(shù)：流量：60.3m3/min；壓力：49kPa；功率：75kW。

b窯頭凈風(fēng)機(jī)

更換窯頭凈風(fēng)機(jī)。具體參數(shù)：流量：60m3/min；壓力：58kPa；功率：90kW。采用變頻調(diào)節(jié)，保證小風(fēng)量高壓力?，F(xiàn)有凈風(fēng)機(jī)參數(shù)：流量：90m3/min；壓力：29.4kPa；功率：90kW。

圖6 三次風(fēng)管入爐照片

c窯頭送煤管道

更換窯頭送煤管道為φ168mm×8mm（內(nèi)徑φ 152mm）?，F(xiàn)有送煤管道尺寸：φ200mm。

d更換高動(dòng)能型HJ五通道智能旋渦流燃燒器（圖7）。

圖7 窯頭燃燒器照片

改造完成后，投料一次成功，窯頭火焰強(qiáng)勁有力，形狀完好，調(diào)節(jié)靈活，窯皮平整，煙室及分解爐錐部結(jié)皮少；相同NOx控制指標(biāo)情況下，氨水用量平均下降了66.7%；脫硝綜合效率＞63%。技術(shù)改造前后主要工藝參數(shù)對(duì)比如表3所示。

5 結(jié)語

實(shí)際采用窯頭和窯尾降低NOx的技術(shù)方案后，得到如下結(jié)果：

表3 煙氣脫硝技術(shù)改造前后主要工藝參數(shù)對(duì)比

（1）采用窯頭低氮煤粉燃燒技術(shù)可降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOx產(chǎn)生量，與傳統(tǒng)燃燒器相比，可降低氮氧化物生成量15%～20%。

（2）采用窯尾分解爐高強(qiáng)還原燃燒控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOx高強(qiáng)還原，大大降低了NOx生成量，氮氧化物本體濃度可降低45%～50%以上。

（3）采用窯頭低氮煤粉燃燒技術(shù)和分解爐高強(qiáng)還原燃燒控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)脫硝綜合效率＞63%以上，大大降低了NOx排放濃度和排放總量，降低了氨水用量和脫硝成本。

實(shí)踐證明，窯尾煙氣脫硝改造技術(shù)相對(duì)成熟，也是目前進(jìn)一步降低NOx排放的有效途徑。窯尾煙氣脫硝改造技術(shù)在不影響水泥窯原有工藝運(yùn)行基礎(chǔ)上，通過建立高強(qiáng)還原區(qū)有效降低了NOx排放，且實(shí)現(xiàn)了在不增加氨水消耗的條件下NOx排放＜100mg/m3的控制指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果改善明顯。■