升級改造燃燒器降低氮氧化物排放

逯志軍，劉紅寧，楊利明，石巖

1 前言

我公司回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為φ4.2m×66m，設(shè)計能力為3 200t/d，實際生產(chǎn)能力4 000t/d左右。窯頭燃燒器采用第三代燃燒器，規(guī)格為EPIC-F3085，自2015年開始使用。隨著我國氮氧化物排放標準的日益嚴格，為進一步提高燃燒器性能，穩(wěn)定熱工制度及窯皮工況，改善熟料結(jié)粒，提升熟料質(zhì)量，降低生產(chǎn)煤耗，經(jīng)與燃燒器廠家溝通，決定在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上對原有燃燒器進行技術(shù)改造。改造后，燃燒器整體性能提高，達到了降低生產(chǎn)能耗、提高熟料質(zhì)量、降低氮氧化物排放的目標，實現(xiàn)了低氮燃燒，降低了氨水使用成本及環(huán)保成本，取得了良好的經(jīng)濟效益。

2 技術(shù)改造方案

針對原有燃燒器2014年以來的使用情況，2019年年底，公司利用冬季供暖錯峰限產(chǎn)之時，對原有燃燒器進行了升級改造。技術(shù)改造方案如下：

（1）燃燒器外風結(jié)構(gòu)及參數(shù)暫不做調(diào)整，保證火焰剛度及動能參數(shù)。

（2）搭配使用原材料中的兩種石灰石。原材料中的石灰石品位低，原材料成分見表1。一種石灰石結(jié)晶硅含量高（低鈣低鎂），另一種石灰石MgO含量偏高（高鈣高鎂），二者需搭配使用。

表1 原材料成分，%

（3）優(yōu)化布局，改造燃燒器內(nèi)風的結(jié)構(gòu)形式。燃燒器均化設(shè)施相對落后，導致煅燒過程中液相容易提前出現(xiàn)且飛砂嚴重。在2015年設(shè)計時，考慮將燃燒器燃燒區(qū)域盡量控制在窯前，以提高燒成帶煅燒溫度，避免煤粉后燃提前產(chǎn)生液相，影響窯的穩(wěn)定運行。從近幾年的實際使用情況來看，內(nèi)風往往是在旋流體出口截面積縮小的情況下才使用。此次改造將增加內(nèi)風調(diào)節(jié)方式，采用齒槽型和EPIC型兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使內(nèi)風調(diào)節(jié)區(qū)域更廣。齒槽型結(jié)構(gòu)有利于對煤粉進行徑向切割及混合，使燃燒區(qū)域的煤粉分布更均勻，溫度場更合理，且外風風速高，火焰剛度強，風速差大（外風風速280～320m/s，煤風25m/s，內(nèi)風220m/s），二次風與煤粉混合效率更高。EPIC型結(jié)構(gòu)在齒槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部，尺寸較原有燃燒器小，增大其出口面積，可保證燃燒器整體動能參數(shù)，減小徑向擴散尺寸，避免煤粉燃燒過于集中以及燒成帶核區(qū)溫度過高。

（4）兩組內(nèi)風結(jié)構(gòu)交替使用。通過閥門切換，可實現(xiàn)在線調(diào)節(jié)，相當于一臺燃燒器同時具備兩種設(shè)計思路，有利于找到最優(yōu)化的使用方法。

結(jié)合燃燒器廠家改造思路，我公司在拆除燃燒器澆注料后，聯(lián)系廠家對現(xiàn)有燃燒器進行了返廠升級改造和維修維護。

將原來的四通道改造為五通道，燃燒器類型為拉法基型和EPIC型兩種形式結(jié)合使用，拉法基型為外直流風+齒槽旋流風（1+3），EPIC型為外直流風+間隙旋流風（1+4），1、2、3、4分別為燃燒器通道序號。同時，結(jié)合煤質(zhì)情況、熟料質(zhì)量情況、窯內(nèi)溫度熱力分布情況及筒體溫度分布情況對內(nèi)風截面積及角度進行調(diào)整。燃燒器升級改造前后的參數(shù)對比見表2，燃燒器升級改造前后樣式見圖1、圖2。

3 技改實施效果

受疫情影響，2020年3月底，對燃燒器升級改造后返廠，2020年6月，利用山東區(qū)域錯峰限產(chǎn)期間，進行安裝調(diào)試并投入使用，改造后燃燒器的組合方式見表3。

表2 燃燒器升級改造前后的參數(shù)對比

圖1 燃燒器改造前的樣式圖

圖2 燃燒器升級改造后的樣式圖

表3 改造后燃燒器的組合方式

表4 改造前后氨水使用量及控制指標對比

圖3 升級改造前筒體溫度熱力分布變化（時間5月15日）

實驗過程中，我公司采用的是“外直流風+齒槽旋流風（1+3）”的組合方式進行生產(chǎn)運行，外直流風使用壓強在50～55kPa，開度100%，齒槽旋流風使用壓強在20～25kPa，開度30%～50%。改造前后氨水使用量及控制指標對比見表4。

由表4可以看出，2019年氮氧化物控制值為200mg/m3，實際折算平均值為176.0mg/m3，噸熟料氨水用量為3.63kg。隨著環(huán)保要求的日益嚴格，2020年氮氧化物控制標準調(diào)整為≤100mg/m3，在不進行升級改造的情況下，噸熟料氨水用量為5.87kg，折合小時流量為1 057.4L。在工藝狀況異常時很容易出現(xiàn)單點小時超標現(xiàn)象，且噸熟料氨水成本及環(huán)保成本大幅上升。

圖4 升級改造后筒體溫度熱力分布變化（時間6月21日）

對燃燒器進行升級改造后，2020年6～7月的噸熟料氨水用量為4.05kg。從經(jīng)濟效益分析看，在相同氮氧化物控制排放條件下，噸熟料氨水用量降低1.82kg。目前我公司氨水采購無稅單價為630元/t，2020年年產(chǎn)熟料76萬噸，年創(chuàng)效益額為76萬噸×1.82kg/t×1 000×630元/噸=87.141 6萬元，效益可觀且解決了工藝狀況異常時易出現(xiàn)單點小時超標的問題，降低了環(huán)保壓力。

燃燒器升級改造前后，筒體溫度熱力分布變化情況見圖3、圖4。對比升級改造前后筒體溫度熱力分布情況可見，火焰集中度略有降低，過渡帶溫度略有上升。由于該燃燒器風壓大，燒成系統(tǒng)煅燒效果未受影響，火焰集中度更加合理，減少了短焰急燒帶來的熟料中存在還原料的質(zhì)量問題，熟料結(jié)粒及發(fā)育情況也更加完好。

4 結(jié)語

通過改造EPIC-F3085型燃燒器內(nèi)風結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化其燃燒火焰形狀及在窯內(nèi)的布局，在不影響熟料煅燒質(zhì)量基礎(chǔ)上，加強了對煤粉的切割能力，可以實現(xiàn)低氮燃燒，同時，降低了氨水使用成本及環(huán)保成本，取得了良好經(jīng)濟效益。