燃用高硫無(wú)煙煤水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)分級(jí)燃燒應(yīng)用實(shí)例

成舒望，桑圣歡，吳濤，羅超，馮京

隨著環(huán)保限排指標(biāo)的日益嚴(yán)格，全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)水泥工業(yè)NOx排放指標(biāo)將從320mg/m3（標(biāo)）降至100mg/m3（標(biāo)）以下。我國(guó)生態(tài)環(huán)境部2019年7月26日在新聞發(fā)布會(huì)上透露，擬將全面達(dá)到超低排放的企業(yè)列為A級(jí)，在應(yīng)對(duì)2019年冬季重污染時(shí)，A級(jí)企業(yè)無(wú)需采取限產(chǎn)或停產(chǎn)等減排措施。此外，河北、河南、四川等地區(qū)已將NOx排放限值降至50mg/m3（標(biāo)）。

目前，水泥窯的脫硝技術(shù)主要有燃料燃燒前脫硝、燃燒中脫硝和燃燒后脫硝三種。分級(jí)燃燒作為燃燒中脫硝技術(shù)，可以在不消耗外加還原劑的情況下進(jìn)行脫硝反應(yīng)，降低NOx排放，降低后續(xù)SNCR脫硝壓力，降低脫硝還原劑氨水的使用量。

1 分級(jí)燃燒設(shè)計(jì)

1.1 水泥窯NOx的形成

水泥熟料燒成過(guò)程是典型的高溫反應(yīng)過(guò)程，燃料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫火焰，隨之生成燃料型、熱力型和快速型NOx。NOx主要是在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)生成，而NOx的消解任務(wù)卻無(wú)法全部在窯內(nèi)完成。通過(guò)改進(jìn)窯用燃燒器，可以在一定程度上抑制NOx的生成，但是，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料煅燒對(duì)火焰溫度、火焰形狀、火焰穩(wěn)定性的要求很高，在有效降低NOx生成的同時(shí)往往會(huì)削弱燃燒器的燃燒性能。

分解爐是水泥熟料燒成過(guò)程中除了回轉(zhuǎn)窯以外的另一個(gè)高溫設(shè)備，需消耗60%左右的燒成所需總熱量。目前主要是通過(guò)分解爐的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)降低NOx的排放，在限制爐內(nèi)NOx生成的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造適合于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)產(chǎn)生NOx強(qiáng)還原的環(huán)境，還原窯內(nèi)生成的NOx，進(jìn)而降低整個(gè)燒成系統(tǒng)NOx排放。

1.2 分級(jí)燃燒設(shè)計(jì)情況

分解爐中降低NOx的方法主要是進(jìn)行燃料低氧燃燒和分級(jí)送風(fēng)。低氮分級(jí)燃燒技術(shù)實(shí)施后，在分解爐錐部高溫區(qū)形成強(qiáng)還原氣氛，形成大量的CO、H2、HCN和固定碳等還原劑，將NOx還原為N2，從而減少NOx的排放。

西南某6 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)燃燒100%高硫無(wú)煙煤，煤的工業(yè)分析及元素分析見(jiàn)表1。無(wú)煙煤揮發(fā)分較低，固定碳含量高，燃燒溫度高，因此，通常采取關(guān)小三次風(fēng)開(kāi)度，加強(qiáng)窯內(nèi)通風(fēng)，加快煤粉燃燒速率等措施，保證煤粉充分燃燒。該生產(chǎn)線(xiàn)使用的高硫無(wú)煙煤硫含量2.3%，硫含量較高，容易造成分解爐和煙室結(jié)皮嚴(yán)重。為降低分解爐及窯尾煙室結(jié)皮、堵塞現(xiàn)象發(fā)生，可加大分解爐錐部分料，降低分解爐錐部和煙室的溫度，進(jìn)而減緩結(jié)皮和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析

（1）分煤和分料設(shè)計(jì)

目前該6 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)煤粉分級(jí)燃燒的設(shè)計(jì)是將4只煤管的100%煤粉噴在分解爐錐部。分料需要配合分煤的設(shè)計(jì)，分煤效果以及生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定（如結(jié)皮、堵塞）與分料設(shè)計(jì)密切相關(guān)，分料設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。該生產(chǎn)線(xiàn)分解爐錐部一側(cè)進(jìn)行的分料設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 分級(jí)燃燒設(shè)計(jì)示意圖

由于分解爐所有煤粉均在錐部，而分解爐錐部只有一側(cè)分料，該生產(chǎn)線(xiàn)在投產(chǎn)運(yùn)行一段時(shí)間后，未分料一側(cè)分解爐錐部出現(xiàn)了較嚴(yán)重的結(jié)皮。為緩解結(jié)皮對(duì)燒成工況造成的不良影響，分解爐錐部的兩只煤管由最低層位置上移至中間煤管預(yù)留位置。改造后，分解爐錐部結(jié)皮明顯減緩。

（2）分風(fēng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，三次風(fēng)管主風(fēng)管設(shè)計(jì)在分解爐直段部分，主三次風(fēng)入爐設(shè)計(jì)為切向入爐，窯尾煙室入爐煙氣與三次風(fēng)的混合減緩，可以創(chuàng)造更大的NOx還原區(qū)。此外，增加了脫氮管的內(nèi)徑，提高了脫氮管的分風(fēng)比例，在分解爐中部創(chuàng)造了更大的NOx還原區(qū)。

2 分級(jí)燃燒調(diào)試

2.1 分級(jí)燃燒調(diào)試

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，降低高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，將預(yù)熱器出口O2含量控制在2%以下。其次，在降低窯尾高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速后，逐步增加三次風(fēng)擋板開(kāi)度，降低窯內(nèi)空氣過(guò)剩系數(shù)，控制窯尾煙室O2含量＜1.0%。

上述操作的目的在于防止跑生料，三次風(fēng)閥板開(kāi)度變化不會(huì)造成窯內(nèi)欠氧和產(chǎn)生黃心料等。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，增加脫氮管閥門(mén)開(kāi)度。調(diào)節(jié)脫氮管要保證煤粉在分解爐內(nèi)較充分燃燒，分解爐出口氧含量在2%以?xún)?nèi)。由于業(yè)主擔(dān)心脫氮管開(kāi)度過(guò)大對(duì)燒成系統(tǒng)造成影響，實(shí)際調(diào)試過(guò)程中脫氮管開(kāi)度只到30%，未能開(kāi)至100%。

在上述條件下進(jìn)行煙室、分解爐錐部（分級(jí)燃燒后）、鵝頸管（SNCR脫硝前）、窯尾煙囪處煙氣成分（O2、CO、NOx）及溫度的測(cè)定，然后根據(jù)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分級(jí)燃燒結(jié)果的分析。

表2 分級(jí)燃燒測(cè)定數(shù)據(jù)

2.2 分級(jí)燃燒測(cè)定結(jié)果

分級(jí)燃燒數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。表2中的測(cè)定數(shù)據(jù)是在三次風(fēng)脫氮管關(guān)閉的情況下測(cè)量的。測(cè)定時(shí)，煙室處氧含量均值約為1.69%。分級(jí)燃燒后，NOx濃度值測(cè)點(diǎn)位置在分解爐錐部的上部，主三次風(fēng)管以下。SNCR脫硝前NOx濃度值測(cè)點(diǎn)位于氨水噴射前鵝頸管處。不噴射氨水時(shí)，SNCR前NOx濃度等于煙囪處NOx濃度。

表2中，分級(jí)燃燒效率=[（煙室NOx-分級(jí)燃燒后NOx）/煙室NOx]×100%?；剞D(zhuǎn)窯產(chǎn)生的NOx均值為 1 314.2mg/m3（標(biāo)）@10%O2（以下均為@10%O2），分級(jí)燃燒后NOx均值為1 105.47mg/m3（標(biāo)）；分級(jí)燃燒效率變化幅度較大，分級(jí)燃燒效率最大值為25.43%，平均值16.38%，均方差為8.21%，可知分級(jí)燃燒效率數(shù)值離散程度較大，分級(jí)燃燒效率變化幅度大。

分級(jí)燃燒后SNCR脫硝前NOx排放的平均值為1 378.66mg/m3（標(biāo)），均方差為344.09mg/m3（標(biāo)），說(shuō)明該水泥窯產(chǎn)生的NOx濃度變化較大，這與所使用的高硫無(wú)煙煤以及燒成工況尤其是窯內(nèi)通風(fēng)情況的變化較大有關(guān)。水泥窯分解爐出口產(chǎn)生的NOx均值在800mg/m3（標(biāo)）左右，故該燃用高硫無(wú)煙煤的6 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)窯系統(tǒng)產(chǎn)生的NOx較高，高于平均值72.33%，造成后續(xù)SNCR脫硝壓力較大。為了使分級(jí)燃燒效果達(dá)到最佳，在不影響熟料質(zhì)量的前提下，必須嚴(yán)格控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)通風(fēng)，控制窯尾煙室O2含量＜1%。

圖2是窯尾停用氨水、喂料量400t/h、煙室氧含量為0.92%、窯尾煙囪氧含量6.29%時(shí)，煙囪NOx濃度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。由圖2可知，SNCR氨水停止噴射10min，NOx最高濃度為1 042.1mg/m3（標(biāo)）。氨水停用時(shí)，窯尾煙囪排放的NOx小于SNCR脫硝前NOx測(cè)定值的平均值1 378.66mg/m3（標(biāo)），說(shuō)明控制煙室氧含量可進(jìn)一步增大分級(jí)燃燒效果，進(jìn)而降低SNCR脫硝前NOx濃度。

該生產(chǎn)線(xiàn)消耗氨水均值在4.62kg/t熟料，均方差為0.43kg/t熟料，氨水消耗較同規(guī)模的熟料生產(chǎn)線(xiàn)（3～4kg/t熟料）大，這與該生產(chǎn)線(xiàn)本身產(chǎn)生的NOx值較大有關(guān)。

脫氮管脫硝效果見(jiàn)表3。由表3可知，脫氮管開(kāi)度由15%增加到30%，在煙囪NOx排放濃度相當(dāng)?shù)那闆r下，氨水使用量未減少，說(shuō)明脫氮管脫硝效果不明顯。由于燒成工況不穩(wěn)定，脫氮管調(diào)試時(shí)未能全開(kāi)。

圖2 氨水停用時(shí)NOx濃度變化情況

表3 脫氮管脫硝效果

2.3 脫氮管風(fēng)速數(shù)值模擬

三次風(fēng)分風(fēng)比例調(diào)試，脫氮管開(kāi)度30%和100%時(shí)脫氮管風(fēng)速模擬見(jiàn)圖3。由圖3可知，脫氮管開(kāi)度為30%時(shí)，脫氮管風(fēng)速明顯低于三次風(fēng)管抱管風(fēng)速，脫氮管開(kāi)度100%時(shí)，脫氮管風(fēng)速和三次風(fēng)管抱管風(fēng)速基本相等。由此可知，只有脫氮管開(kāi)度100%時(shí)才會(huì)有三次風(fēng)通過(guò)脫氮管，在脫氮管和三次風(fēng)主管間形成還原區(qū)。模擬結(jié)果也說(shuō)明脫氮管開(kāi)度為15%和30%時(shí)，基本無(wú)三次風(fēng)通過(guò)脫氮管，脫硝效果無(wú)差別，這也是目前大多數(shù)水泥廠不使用脫氮管的原因之一。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西南某燃用高硫無(wú)煙煤的6 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)分級(jí)燃燒運(yùn)行測(cè)試和調(diào)試可知，在不分風(fēng)的情況下，該生產(chǎn)線(xiàn)分級(jí)燃燒效率平均值16.38%，SNCR脫硝前NOx初始排放濃度1 378.66mg/m3（標(biāo)），高于不噴氨水時(shí)煙囪處NOx濃度值1 042.1mg/m3（標(biāo)）。因此，通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)整降低煙室氧含量可提高分級(jí)燃燒效率，脫氮管全開(kāi)進(jìn)行三次風(fēng)分風(fēng)，可進(jìn)一步提高分級(jí)燃燒的綜合效率，預(yù)計(jì)該生產(chǎn)線(xiàn)SNCR脫硝前NOx濃度≯1 000mg/m3（標(biāo)）。

圖3 脫氮管風(fēng)速模擬

為了使燃用高硫無(wú)煙煤的水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)分級(jí)燃燒效果達(dá)到最佳，在不影響熟料質(zhì)量的前提下，必須嚴(yán)格控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)通風(fēng)，控制窯尾煙室O2含量＜1%。燃用高硫無(wú)煙煤的水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)分級(jí)燃燒設(shè)計(jì)時(shí)，為緩解高溫結(jié)皮，應(yīng)注重分煤和分料相結(jié)合。本次分風(fēng)，脫氮管開(kāi)度15%和30%時(shí)，脫硝效果差別不大，在后續(xù)燒成系統(tǒng)穩(wěn)定后將進(jìn)一步測(cè)試脫氮管全開(kāi)的脫硝效果。