分解爐空氣分級(jí)燃燒及NOx排放特性研究

朱書駿，朱建國(guó)

(1. 中國(guó)科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190;2. 中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190;3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

水泥行業(yè)是我國(guó)建筑領(lǐng)域的支撐產(chǎn)業(yè)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，作為重要基礎(chǔ)材料的水泥產(chǎn)品需求量極大且趨于穩(wěn)定。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2018年全國(guó)累計(jì)水泥產(chǎn)量達(dá)到22億t，全國(guó)累計(jì)熟料產(chǎn)量達(dá)到14億t[1]。目前，我國(guó)水泥生產(chǎn)技術(shù)主要采用新型干法水泥生產(chǎn)線。截至2018年底，我國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)線達(dá)到1 681條。新型干法水泥技術(shù)又稱為預(yù)分解窯生產(chǎn)工藝[2]，是在生產(chǎn)線中懸浮預(yù)熱器與回轉(zhuǎn)窯之間鋪設(shè)一個(gè)窯外分解爐。在分解爐內(nèi)加入約60%燃料，從懸浮預(yù)熱器流出的生料與燃料提前在分解爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，燃料燃燒釋放出的化學(xué)熱供給生料分解，提高了進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的生料的表觀分解率。從回轉(zhuǎn)窯流出的高溫?zé)煔庖才c燃料和生料在分解爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。因此，高溫?zé)煔鈹y帶的熱量供給生料分解，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯的廢氣熱焓再利用。

水泥生產(chǎn)過程中的NOx排放與燃煤火電廠和汽車尾氣產(chǎn)生的NOx排放已成為空氣污染的主要來源[3]。隨著GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的日益嚴(yán)格，水泥生產(chǎn)過程中的低NOx排放研究迫在眉睫。在新型干法水泥生產(chǎn)線中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)工作溫度達(dá)到1 500 ℃以上，反應(yīng)區(qū)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量熱力型NOx和燃料型NOx[4-5]?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)通常采用降低NOx排放手段包括優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯燒成參數(shù)軟件、低一次風(fēng)燃燒器和廢氣噴氨等[6]。同時(shí)，分解爐是降低水泥生產(chǎn)工藝中NOx排放的有效設(shè)備[7]。分解爐內(nèi)工作溫度通常在800～1 000 ℃，反應(yīng)區(qū)間內(nèi)的NOx以燃料型NOx為主。分解爐內(nèi)可采用分級(jí)燃燒和SNCR手段來抑制NOx生成[8-9]，其中分解爐的分級(jí)燃燒技術(shù)是通過合理組織爐內(nèi)燃燒，在不影響石灰石分解的前提下實(shí)現(xiàn)低NOx排放。由于分解爐內(nèi)生料濃度較高，煤粉的燃燒放熱過程和生料的吸熱分解過程相互耦合，使得分解爐內(nèi)的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)變得復(fù)雜，且回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的NOx會(huì)流入分解爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，使得NOx的反應(yīng)過程更加復(fù)雜。Liu等[10]研究表明，流化床煤粉燃燒過程中石灰石的分解反應(yīng)既可以減少煤焦燃燒產(chǎn)生的N2O排放，還可以提高焦炭氮向NO/NOx的轉(zhuǎn)化率。Allen等[11]研究表明，還原性氣氛中CaO有利于減少NO排放，但氧化性氣氛中CaO會(huì)增加NO的排放。Tarelho等[12]研究表明，石灰石添加對(duì)NO和N2O排放的影響取決于初始反應(yīng)氣氛。在初始貧燃料氣氛中，添加石灰石會(huì)增加NO排放而減少N2O排放。然而在初始富燃料氣氛中，NO和N2O排放變化呈相反趨勢(shì)。上述研究表明石灰石添加對(duì)NOx的氧化還原反應(yīng)影響與反應(yīng)裝置、溫度和氣氛等反應(yīng)條件緊密相關(guān)。因此，在模擬分解爐的反應(yīng)條件下探索石灰石添加對(duì)NOx排放變化影響具有重要意義。

當(dāng)前分解爐的分級(jí)燃燒技術(shù)研究以應(yīng)用技術(shù)為主，主要是冷態(tài)模型[13]、數(shù)值模擬[14-15]和一維爐試驗(yàn)[6]，結(jié)果均表明分級(jí)燃燒可在保證石灰石分解率的前提下實(shí)現(xiàn)低NOx排放。但分級(jí)配風(fēng)模式(配風(fēng)位置和配風(fēng)比例等)對(duì)NOx排放的影響規(guī)律隨著試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)和尺寸的改變而變化，同時(shí)考慮到分解爐內(nèi)部復(fù)雜的物理化學(xué)過程，需模擬實(shí)際應(yīng)用分解爐的相關(guān)試驗(yàn)。因此，本文在引入高溫?zé)煔獾哪M分解爐內(nèi)進(jìn)行空氣分級(jí)燃燒試驗(yàn)，探索配風(fēng)位置、配風(fēng)比例以及石灰石/煤比例對(duì)分解爐內(nèi)燃燒和NOx排放特性的影響規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

選用煤樣為我國(guó)典型煙煤——神木煙煤，工業(yè)分析與元素分析見表1。煙煤粒徑為0～0.18 mm。石灰石樣品的主要成分為CaCO3，純度約為98%,主要雜質(zhì)成分為MgCO3和SiO2，檢測(cè)結(jié)果見表2。石灰石的粒徑分布為0～0.5 mm。

表1 煤樣的工業(yè)分析與元素分析

表2 石灰石分析

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置、模擬分解爐和輔助設(shè)備組成(圖1)。高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置為一個(gè)循環(huán)流化床,提升管的高度和直徑分別為1 000和149 mm，旋風(fēng)筒的直徑為149 mm。少量煤粉在循環(huán)流化床內(nèi)完全燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^一個(gè)聯(lián)通管流入后置的模擬分解爐中。該股高溫?zé)煔鈱⒛M實(shí)際回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入分解爐內(nèi)。在高溫?zé)煔獾倪M(jìn)口管中加入試驗(yàn)用煤和石灰石，此時(shí)可以認(rèn)為高溫?zé)煔鈹y帶著煤粉和石灰石進(jìn)入模擬分解爐內(nèi)，反應(yīng)路徑從爐頂自上而下進(jìn)行。分解爐的高度和直徑分別為6 000和700 mm，爐膛為圓柱形結(jié)構(gòu)。在分解爐頂部的環(huán)形位置處等距離布置了4個(gè)進(jìn)風(fēng)口，將該處給風(fēng)定義為分解爐的一級(jí)風(fēng)。在分解爐距頂部300、1 200、1 500、1 800、2 100和3 000 mm沿程布置有6個(gè)風(fēng)路，沿程自上而下分別定義為1～6層風(fēng)路，每次試驗(yàn)僅選取其中4個(gè)風(fēng)路工作，每層風(fēng)路的進(jìn)風(fēng)口對(duì)沖進(jìn)入分解爐內(nèi)，將該處給風(fēng)定義為分解爐二級(jí)風(fēng)。為更接近實(shí)際分解爐內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境，控制模擬分解爐內(nèi)的主要運(yùn)行溫度在800～1 000 ℃，且在有高溫?zé)煔庖氲臍夥罩屑尤胧沂兔旱幕旌衔铮剿骺諝夥旨?jí)時(shí)的燃燒特性和NOx排放特性。輔助設(shè)備包括送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、尾部水冷和除塵系統(tǒng)等，支撐著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置布置有4個(gè)熱電偶(Ni-Cr/Ni-Si熱電偶)，位置分別在提升管距頂部50、500和950 mm三處和返料器處。同時(shí)，在高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置的出口處布置有一個(gè)熱電偶(Ni-Cr/Ni-Si熱電偶)，用以監(jiān)測(cè)高溫?zé)煔獾臏囟取ＤM分解爐沿程布置有17個(gè)熱電偶(Pt/Pt-Rh熱電偶)，位置分別在距頂部150～3 150 mm的每300 mm處和3 500～6 000 mm的每500 mm處。

圖1 系統(tǒng)流程示意

試驗(yàn)穩(wěn)定過程中，分別在高溫?zé)煔庋b置出口的聯(lián)通管處和分解爐尾部的水冷出口管路處進(jìn)行煙氣成分在線測(cè)試分析。煙氣中NOx、NH3、HCN、CO、CO2等組分采用Gasmet FTIR DX-4000 煙氣分析儀測(cè)定，O2采用氧化鋯分析儀測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)主要研究分解爐內(nèi)配風(fēng)位置、配風(fēng)比例和石灰石/煤比例對(duì)燃燒特性和NOx排放特性的影響。所有試驗(yàn)工況中，均保持高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置內(nèi)的燃燒狀態(tài)不變，即循環(huán)流化床內(nèi)的給煤量、配風(fēng)量等參數(shù)保持不變，從而產(chǎn)生的高溫?zé)煔獾臏囟群蜔煔饨M分含量才能保持不變。在此基礎(chǔ)上，按照不同試驗(yàn)?zāi)康淖兓囼?yàn)參數(shù)，具體試驗(yàn)工況參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置

試驗(yàn)穩(wěn)定過程中，高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置的給煤量和配風(fēng)量保持穩(wěn)定不變，分別為1.87 kg/h和27 Nm3/h。此時(shí)，高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置內(nèi)的溫度分布如圖2所示?？芍邷?zé)煔獍l(fā)生裝置的時(shí)間平均溫度為911 ℃。高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置出口的煙氣溫度如圖3所示?？芍邷?zé)煔獾臏囟确€(wěn)定在750 ℃左右。

圖2 高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置溫度分布

圖3 高溫?zé)煔鉁囟?/p>

利用Gasmet FTIR DX-4000煙氣分析儀測(cè)定高溫?zé)煔獬煞?，其結(jié)果見表4。結(jié)果表明高溫?zé)煔庵械腘Ox主要以NO和N2O的形式存在，其濃度分別為261.49×10-6和12.96×10-6。該股高溫?zé)煔鈱⒛M實(shí)際回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入到分解爐內(nèi)。

2.2 模擬分解爐

由高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈹y帶煤粉和石灰石進(jìn)入模擬分解爐內(nèi)，反應(yīng)過程自上而下進(jìn)行。

表4 高溫?zé)煔獬煞?/p>

2.2.1不同配風(fēng)位置

保持一級(jí)風(fēng)量及二級(jí)風(fēng)總風(fēng)量不變，通過改變二級(jí)風(fēng)的位置來研究不同配風(fēng)位置對(duì)分解爐內(nèi)燃燒和NOx排放特性的影響，其中二級(jí)風(fēng)一共分4層噴入分解爐內(nèi)，僅改變中間配風(fēng)的位置，具體試驗(yàn)參數(shù)見表3的工況1～3。不同工況下分解爐內(nèi)溫度變化如圖4所示。在分解爐的上部區(qū)域(距離頂部0～2 000 mm區(qū)域)的溫度為800～1 000 ℃，與實(shí)際分解爐運(yùn)行溫度一致。隨著中間配風(fēng)位置的下移，分解爐頂部區(qū)域的溫度下降。原因?yàn)榕滹L(fēng)位置下移導(dǎo)致煤粉燃燒放熱區(qū)域下移，而頂部區(qū)域的石灰石吸熱量變化較小，則原有的熱量平衡被打破，原有的吸熱量高于現(xiàn)有的放熱量，導(dǎo)致頂部區(qū)域內(nèi)的燃燒溫度降低。

圖4 不同配風(fēng)位置下分解爐溫度分布

不同配風(fēng)位置下煙氣成分濃度變化如圖5所示。排放煙氣中NOx主要以NO和N2O形式存在。隨著配風(fēng)位置的下移，NO排放濃度升高，N2O濃度無明顯變化。配風(fēng)位置的下移使得分解爐頂部至該處位置區(qū)域空間增加，即煤粉燃燒和石灰石分解過程在還原氣氛中反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。因此，在該處配風(fēng)未噴入前，NOx的還原反應(yīng)更加充分，有利于降低NOx濃度。同時(shí)，分解爐內(nèi)石灰石的存在對(duì)于NO生成既有促進(jìn)作用又有抑制作用[16]。一方面，石灰石分解產(chǎn)生的氧化鈣(CaO)作為中間產(chǎn)物促進(jìn)了NO的生成反應(yīng)[17](式(1)～(3))。因此，隨著配風(fēng)位置下移導(dǎo)致的反應(yīng)時(shí)間增加，也促進(jìn)了NO的生成。另一方面，石灰石作為催化劑參與焦炭和揮發(fā)分還原NO的反應(yīng)過程，該還原反應(yīng)過程隨溫度下降而變?nèi)?。由圖4可知，隨著中間配風(fēng)位置的下移，分解爐頂部區(qū)域溫度下降，故該還原反應(yīng)變?nèi)酢＞C上，NO的最終排放濃度是以上不同反應(yīng)間的綜合結(jié)果。隨著配風(fēng)位置的下移，該變化對(duì)NO的生成作用更加明顯。因此，NO的排放濃度逐漸升高。

(1)

(2)

(3)

圖5 不同配風(fēng)位置下煙氣成分濃度分布

2.2.2不同配風(fēng)比例

保持二級(jí)風(fēng)配風(fēng)位置不變，通過改變一級(jí)風(fēng)量和二級(jí)風(fēng)量的相對(duì)比例來研究不同分級(jí)配風(fēng)比例對(duì)分解爐內(nèi)燃燒和NOx排放特性的影響，其中二級(jí)風(fēng)的配風(fēng)位置固定在距離分解爐頂部300、1 200、2 100和3 000 mm處，具體試驗(yàn)參數(shù)見表3的工況3～5。不同工況下分解爐內(nèi)溫度變化如圖6所示。當(dāng)一級(jí)風(fēng)量與二級(jí)風(fēng)量的配風(fēng)比例逐漸降低時(shí)，即降低一級(jí)風(fēng)量和增加二級(jí)風(fēng)量，分解爐內(nèi)沿程溫度整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著一級(jí)風(fēng)量的減少，分解爐上部區(qū)域的煤粉燃燒份額變少，燃燒放熱量相應(yīng)降低，進(jìn)而導(dǎo)致溫度降低。此時(shí)，上部區(qū)域的石灰石分解量也降低。在分解爐下部區(qū)域的煤粉燃燒份額相應(yīng)增加，但下部區(qū)域內(nèi)未分解的石灰石份額也增加，石灰石吸熱量的增加量高于燃燒增加份額的放熱量，因此分解爐內(nèi)整體溫度均降低。分解爐內(nèi)反應(yīng)溫度的差距在中部區(qū)域最明顯。隨著燃燒進(jìn)行，分解爐下部區(qū)域的燃燒溫度差距逐漸縮小。

圖6 不同配風(fēng)比例下分解爐溫度分布

分解爐尾部煙氣成分分析如圖7所示?？芍?dāng)一級(jí)風(fēng)量與二級(jí)風(fēng)量的比例減少時(shí)，煙氣中的NO濃度呈降低趨勢(shì)，N2O濃度變化很小。分解爐內(nèi)NO濃度是由石灰石催化的氧化過程和還原過程綜合決定的[18]。一級(jí)風(fēng)量變小時(shí)，石灰石催化NO的氧化時(shí)間和還原反應(yīng)時(shí)間在還原性氣氛中均變長(zhǎng)。已有研究表明還原性氣氛下氧化鈣和其他堿及堿土金屬(如氧化鎂)會(huì)增強(qiáng)NO的還原率[19]。相較工況3，工況4中石灰石催化NO的還原作用強(qiáng)于氧化作用的效果，最終結(jié)果為NO濃度明顯降低。而相較工況4，在工況5中石灰石催化NO的還原作用與催化NO的氧化作用的效果相近，因此2個(gè)工況的NO排放無明顯區(qū)別。隨著一級(jí)風(fēng)量的降低，尾部CO濃度也隨之增加。這是因?yàn)榉纸鉅t內(nèi)燃燒氣氛由還原性氣氛轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸詺夥盏膮^(qū)域向下移動(dòng)，結(jié)合分解爐內(nèi)溫度變化，說明燃燒效果變差。

圖7 不同配風(fēng)比例下煙氣成分濃度分布

2.2.3不同石灰石/煤比例

保持各級(jí)配風(fēng)位置和給煤量不變，通過改變石灰石給粉量研究不同石灰石/煤比例對(duì)分解爐內(nèi)燃燒和NOx排放特性的影響，具體試驗(yàn)參數(shù)見表3的工況5～8，分別對(duì)應(yīng)石灰石/煤比例為1.91、2.35、2.79和3.23。不同工況下分解爐內(nèi)溫度變化如圖8所示?？芍沂?煤比例增加時(shí)，即僅增加石灰石給粉量時(shí)，分解爐內(nèi)沿程溫度逐漸下降。這是因?yàn)楦嗟氖沂纸庑枰崭嗟臒崃?，而給煤量保持不變，即燃燒反應(yīng)放熱量不變。該部分超出的吸熱量表現(xiàn)為分解爐內(nèi)溫度的降低。

圖8 不同石灰石/煤比例下分解爐溫度分布

不同石灰石/煤比例下的分解爐尾部煙氣成分分析如圖9所示。隨著石灰石量的增加，尾部NO濃度下降，而N2O濃度升高。當(dāng)石灰石給粉量增加時(shí)，分解爐中石灰石受熱分解產(chǎn)生的CaO濃度隨之增加，其中CaO是催化NO還原的重要化合物。因此NO濃度逐漸降低。而石灰石給粉量增加和分解爐溫度降低的過程也導(dǎo)致尾部的CO濃度升高。

圖9 不同石灰石/煤比例下煙氣成分濃度分布

3 結(jié) 論

1)試驗(yàn)穩(wěn)定過程中，高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置內(nèi)溫度穩(wěn)定波動(dòng)，產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉁囟确€(wěn)定在750 ℃左右。高溫?zé)煔庵蠳Ox主要以NO和N2O形式存在，濃度分別為261.49×10-6和12.96×10-6。高溫?zé)煔庾鳛槟M實(shí)際回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入分解爐內(nèi)。

2)隨著中間配風(fēng)位置的下移，分解爐頂部區(qū)域的溫度下降。同時(shí)，NO排放濃度逐漸升高，N2O濃度沒有明顯變化。

3)當(dāng)一級(jí)風(fēng)量與二級(jí)風(fēng)量的配風(fēng)比例逐漸降低時(shí)，分解爐內(nèi)沿程溫度整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，在分解爐下部區(qū)域的燃燒溫度差距逐漸縮小。同時(shí)，煙氣中的NO濃度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，N2O濃度的變化很小。隨著一級(jí)風(fēng)量的降低，尾部CO的濃度也隨之增加，燃燒效果變差。

4)當(dāng)石灰石/煤比例增加時(shí)，分解爐內(nèi)沿程溫度逐漸下降。煙氣中NO濃度逐漸下降，而N2O濃度逐漸升高。石灰石給粉量增加和分解爐溫度降低的過程也導(dǎo)致尾部的CO濃度升高。