熟料烧成系统分级燃烧技术的应用设计和操作

郭红军万 彬张辉元刘振海崔海波郭 佳

1. 淄博科邦热工科技有限公司，山东 淄博 255086；2. 中材甘肃水泥有限责任公司，甘肃 白银 730900；3. 甘谷祁连山水泥有限公司，甘肃 甘谷 741200；4. 山东联合王晁水泥有限公司，山东 枣庄 277415

熟料烧成系统分级燃烧技术的应用设计和操作

郭红军1万 彬2张辉元3刘振海4崔海波1郭 佳1

1. 淄博科邦热工科技有限公司，山东 淄博 255086；2. 中材甘肃水泥有限责任公司，甘肃 白银 730900；3. 甘谷祁连山水泥有限公司，甘肃 甘谷 741200；4. 山东联合王晁水泥有限公司，山东 枣庄 277415

分解炉分级燃烧技术，是降低氮氧化物生成量、不会增加熟料制造成本的实用可靠的技术。合理设计分解炉分级燃烧的工艺系统，选择性能好的低氮燃烧器，采用合理的操作方法，可以有效稳定地降低系统的 NOx的生成量，同时降低系统热耗和电耗，保证系统的稳定运行。

燃料 分级 分解炉 氮氧化物 低氮燃烧器 操作方法

0 引言

在熟料生产过程中，需要燃烧大量的生物燃料。在比较先进的预分解窑水泥生产线中，每吨熟料烧成用标准煤约为100 kg，占到熟料产量的10%左右。根据理论和检测统计的数据，每生产1 t熟料，就会产生1.5～1.8 kg氮氧化物。随着民众对大气环境保护要求的不断提高和国家对各种有害气体排放浓度以及总量的要求越来越严格，水泥企业在环保方面的投资成本越来越大。其中，为了降低NOx的排放量，较多的烧成系统采用了SNCR脱硝技术，但是这项技术在应用中对系统产生不少的影响：系统稳定运行的生产线1 t熟料增加标煤耗1.98～3 kg； 1 t熟料生产成本增加4～6元；分解炉结皮（特别是鹅径管部分）增加、系统通风变差；入窑生料分解率降低，最大时达到5%，从而影响产量；喷嘴长期受高温烧烤易损坏；须增加人工及时清理和更换喷嘴，否则会增加氨水的用量；因为在分解炉内增加的液体和压缩空气会产生水汽，从而增加系统工况烟气量，增加排风机负荷，影响窑的产量。而且越是运行稳定的系统，这些现象表现得越明显。

因此，从源头上减少NOx的生成量，从而减少氨水和压缩空气的用量，是减少SNCR技术带来的不利因素的一有效种措施。

在水泥熟料烧成系统中，有多种减少NOx的生成量的技术，如一次风工作压力低于36 kPa的低氮燃烧器、分解炉分风燃烧和分煤燃烧的分级燃烧技术。从国内外运行的生产线的实际情况来看，这些技术都有效果。但是，这些单独使用的降氮技术，都会对系统的稳定运行以及熟料质量、热耗等产生不同程度的负面影响。

在这里，根据我们在7条不同结构的分解炉、不同规模（1 200～5 000 t/d）的烧成系统中采用燃料分级燃烧技术，实现NOx降低30%～50%（氨水用量减少50%～100%）同时降低标煤用量2～8 kg/t熟料的实际情况，简单地谈一下对熟料烧成系统中利用分解炉分级燃烧的原理进行应用设计和系统操作的经验。

1 改变系统氮氧化物生成量的因素

（1）窑头喷煤管火焰的形状和温度状态。目前大多数工厂都采用“短焰急烧”的烧成制度来煅烧熟料。这种操作制度一般会把燃烧器头部的火焰温度提高。其实，当温度高于1 500 ℃时，温度每上升100 ℃，热力型 NOx的反应速率就会增长6～7倍。因此，改变烧成制度，采用“正常火焰”[1]（降低火焰峰值温度）煅烧操作制度就可以减少NOx的反应速率和生成量。

（2）煤粉的水分和细度。当煤粉的细度粗，燃烧过程相对缓慢时，NOx的生成量会降低。同理，当煤粉水分（也包含内水）大时亦如此。

（3）二次风的含尘量。当熟料的结粒不好，飞沙较多时，NOx的生成量会降低。

（4）操作原因。合理地减少喷煤管的用煤量，将会增加NOx的生成量；开大三次风管的阀门，减少窑内通风量，降低过剩空气系数时，会减少NOx的生成量。

（5） 设备选型。选择一次风用量少的喷煤管，会减少NOx的生成量。但是当喷煤管的一次风速偏高时（P＞36 kPa），会增加NOx的生成量。

（6） 分解炉内的空气量少，煤粉燃烧不充分（加煤多），产生还原气氛时，会还原窑内产生的NOx，从而使分解炉出口的NOx降低。

但是，这些单一的因素，也同时会对系统的稳定运行产生一些不利因素，比如会出现还原气氛、fCaO合格率会降低、强度会降低等等。

2 分级燃烧技术的作用及类型

2.1 分解炉分级燃烧的主要作用

分解炉分级燃烧技术，是降低氮氧化物生成量而不会增加熟料制造成本的实用可靠的技术，其原理在文献2中已有论述。这项技术的关键在于工艺结构设计技术、设备选型和操作技术（应用技术）。

分解炉分级燃烧的主要作用有两点，一是减少分解炉内NOx的生成量，二是还原在窑内产生的通过窑尾烟室进入到分解炉内的NOx。由于分解炉内生料浓度高，生料分解与燃料燃烧耦合进行，使分解炉内流场、浓度场、温度场、组分（浓度）场比较复杂。与单纯的煤粉燃烧有很大不同，生料对NOx的产生有强力的催化作用。水泥生产过程中，离开分解炉的NOx的降低水平取决于： 分解炉温度（特别是初始区的燃烧温度）； 燃料类型及其内包含的挥发分和氮； 进入分解炉气体的NOx含量； 空气过剩系数，特别是初始燃烧带的空气过剩系数。

煤在分解炉内的燃烧包含：加热、高温分解、点火、气相反应、焦碳及碳黑的反应。高温分解产生的几种气相含氮组分为N2、HCN、NH3、NO，剩余氮包含在煤烟及焦碳中。高温分解发生在分解炉底部，燃料引入后马上反应。在NOx减少及燃烧过程中涉及到400个基元反应，一般仅考虑对NOx形成和减少起重要作用的几个反应。

2.2 分级燃烧技术的类型

目前在分解炉采用分级燃烧的技术有两类：燃料分级燃烧技术（分煤）和空气分级燃烧技术（分风）。

国内已使用“空气分级燃烧”的系统，大都没有正常使用。曾经使用过的工厂发现，分出的三次风在分解炉上部进入后，容易导致该部分筒体进风处结皮，并塌落，故不再使用。同时从入炉三次风中分出的这部分风在进入分解炉后，会影响整个分解炉内原有的气体流场和温度场，影响分解炉的部分性能。因此大多没有正常使用。国内采用燃料分级燃烧技术相对多一些，这是本文讨论的重点。

燃料分级燃烧技术的主要设计内容都在分解炉的下部。这种结构看似简单的技术，但它实际上不是一项单一的技术，更不单单是在分解炉的某一部位分设几个在低过剩空气区域喷煤燃烧的喷煤管那样简单的事情。

水泥熟料烧成过程中，回转窑窑头使用大约整个系统用煤量的40%，由于工艺的需要，窑头的火焰温度高达1 500～1 750 ℃（在熟料烧成温度为1 400～1 450 ℃时）。在这种温度下，以产生热力型NOx为主，产生的NOx约 750～1 200 ppm，分解炉中虽然使用了60%的燃料，但是由于煤粉在分解炉内呈现无焰燃烧状态，正常时不会有高温火焰产生, 分解炉内主要产生燃料型和瞬时型NOx。

回转窑内产生含NOx的窑尾废气进入分解炉，废气热焓可被分解炉内生料分解所利用，其含有的NOx可以通过合理组织分解炉内的燃烧状况而被还原。经过分解炉的相关作用，出预分解系统的 NOx约为 600～700 ppm，烧成系统平均排放浓度为650 ppm。

3 燃料分级燃烧系统的设计

3.1 分级燃烧技术效果的保证条件

根据前面所述的原理可以发现，分级燃烧技术不是一个单一的技术，而是一个涉及到几个方面的系统技术：

（1）分解炉分级燃烧部分的工艺设计——分解炉锥体的角度、三次分管入炉的位置和进口形状、风速等；

（2） 分解炉燃烧器的设计选型——煤粉喷出的速度和形状；

（3 ）窑头燃烧器的选型——煤粉通道的位置和各风道风速、风量等；

（4） 合理的操作方法——三次风管阀门的开度及喷煤管的调节使用。

这四项内容的合理组合及参数的匹配，才能消除分级燃烧技术在实际运行中带来的不利因素，充分发挥降氮的效果和提高系统的稳定运行。

燃料分级技术同空气分级燃烧技术的原理类似，都是使分解炉第一级燃烧区内过剩空气系数小于1，燃料先在缺氧条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，从而抑制热力氮氧化物的生成。另外在燃料氮分解成中间产物（如NH、CN、HCN和NHx等）的相互作用下或与氮氧化物发生还原分解反应，抑制燃料型氮氧化物的生成。

3.2 管道式分解炉燃料分级燃烧技术的设计

对于不同结构的分解炉，虽然产生还原的设计原理是一样的，但结构设计却不同。而合理的工艺结构是减少分解炉NOx生成量和还原烟气中NOx的关键之一。

管道式分解炉的结构有很多种，其差别在于三次风管的入炉方式和结构，图1是比较常用的三种结构。

图1 管道式分解炉的结构类型

图1a是最常见的三次风管进入分解炉的结构，其三次风管的入口形状为“梯形”。三次风是从分解炉的锥体部位倾斜向下进入的。

图1b是近几年出现的一种结构，与原来的管道炉不同的是三次风管是水平进入分解炉锥体部位的，三次风管的形状为圆型。

图1c是三次风管分为两侧进入分解炉的一种结构，其三次风管进风口是方形的，两侧的进风口的位置有切向进入和割线方向进入以及中心线方向进入的多种结构。

这三种结构，如果简单地采用燃料分级燃烧技术，在锥体部位增加分煤燃烧的喷煤管，其效果并不好。原因有二：一是这种结构在分解炉锥体没有稳定的低过剩空气区域，在这个区域内的气体中，由于三次风（纯空气）的进入，使这部分的过剩空气系数很高，并且纯空气的流场不均匀、不稳定；二是低过剩空气区域的空间尺寸不能达到煤粉预热燃烧的条件。

从一个这种炉型的数值模拟图形（见图2）中，就能够比较清楚地看出这些问题。

在这种炉型的原设计中，为了使煤粉和物料分散得更加充分（不是均匀），三次风从分解炉锥体部位进入，使其与窑尾烟气充分混合，形成强烈的风速极高的气体流场。在这种情况下，这个区域的过剩空气系数在分解炉的高度方向和每一个横截面的每一处都是不同的，且不稳定不均匀，有些地方甚至是高过剩空气区域。而从其温度场来看，温度也是不均匀的，这样很难形成一个稳定的低过剩空气区域，而煤粉也不能稳定地在一种状况下燃烧，所以很难形成稳定的还原区，从而导致还原脱硝效果不稳定和效果差。

图2 管道式分解炉数值模拟图

这里有一台4 800 t/d管道式分解炉（见图3）采用分级燃烧技术进行改造的例子。

图3 改造前分解炉的结构

这种炉型改造设计的原则是：

首先要改动分解炉的下部（见图4），在这个位置设置一个低过剩空气区域。这个区域的特点是：第一它是由分解炉锥体和分解炉柱体的一部分组成。在这个区域内的气体，全部都是窑内的烟气，基本没有任何新鲜空气（氧含量不大于2%），形成一个使煤粉在缺氧[2]的环境中因为外部的温度导致其燃烧的条件；第二，在这个区域的上方，三次风按照“旋喷组合”流场的方式进入，形成一个稳定的中心部位为烟气、周边为纯空气的旋转流场；第三，将分解炉用煤分多点喂入分解炉锥体部位低过剩空气区域和柱体上部的三次风中，喂入分解炉锥体部位的这部分煤粉先是进行缺氧的不充分燃烧，使得燃烧速度和温度降低，因而抑制了热力型氮氧化物的生成。另外在燃料氮分解成中间产物（如NH、CN、HCN和NHx等）的相互作用下，以及与窑内过来的氮氧化物发生还原分解，抑制了出分解炉氮氧化物的生成量。另外设置在富氧区域的喷煤管则将另外一部分煤粉喷入到由三次风形成的气流中，在合理的过剩空气区域的纯空气的环境中充分且稳定地燃烧，保证了分解炉的性能。在结构设计合理、操作合理的情况下，分解炉的生产能力和热耗以及稳定性都比原来性能更好。

图4 改动分解炉的下部结构[2]

本次分级燃烧改造设计的内容：

（1）首先在设计中改变分解炉锥体的结构。这个结构的关键是锥体的角度和高度。不同的下缩口喷腾风速、不同的分解炉下部锥体几何形状和尺寸形成的流场不一样，这些会影响煤粉停留的时间、燃烧速度以及产生CO气体的数量。另外把三次风管进入分解炉的位置由原来的在锥体部位斜向下，改动到分解炉的柱体部位。三次风管的底平面到烟室缩口的上平面的尺寸是根据流场状态来确定的。这样三次风管的下表面到窑尾烟室的缩口（窑气喷出的位置）之间形成一个以窑气为主的低过剩空气区域。在这个区域，气体的流场以喷腾和回转的涡流为主。

（2）把原来采用的简易的分解炉喷煤管（经常是一根钢管或是带有旋流器），更换为“变流场分解炉燃烧器”和 “复合流场分解炉燃烧器”（专利产品）[2]。通过可调节分料阀将煤粉分为四个通道，分别喂入三次风的气流位置和分解炉的锥体部位。其中“变流流场分解炉燃烧器”使用在分解炉的锥体部位，即还原区位置。这种结构的喷煤管喷出的煤粉混合气流的形状可以与锥体部位的气体流场匹配，不但使煤粉混合均匀，而且不会使锥体部位出现局部高温而导致结皮。“复合流场分解炉燃烧器”喷出的煤粉则主要进入富氧的三次风的旋转流场中进行充分燃烧，以保证分解炉的性能和对分解炉控制的灵敏性。

（3）改动四级下料管在分解炉上的设计位置和结构。首先将撒料箱内的撒料板改为高效撒料板，同时根据分解炉的截面风速，将撒料箱位置提高到三次风管上方的合理位置。这个位置既要保证C4下来的物料不会出现短路和塌料现象，又要保证物料分散的均匀合理。

在设计参数的选择中，还调整了三次风管的入炉风速和窑尾烟室缩口的风速，使旋喷结合的流场更加合理。

4 分级燃烧技术中的喷煤管以及操作技术要求

分级燃烧是一项系统技术，仅仅完成了工艺结构的设计是不够的。从系统降氮的原理以及国内多个正在运行的生产线的情况来看，选择性能优良的低氮燃烧器，采用正确、合理、稳定的操作方法是关键技术之一。

国内外的低氮燃烧器有多种类型，但是结构不同，效果不同。明显的不同在于：一是在窑内低过剩空气系数的工况下对熟料煅烧质量的控制能力不同；二是在合理控制熟料质量和产量的前提下，产生的氮氧化物的数量（浓度）不同；三是在使用中定位方法不同。

在使用中发现，结构性能好的低氮燃烧器应该具备四个特点： 一次风量小于6%； 净风工作压力小于36 kPa；配置长径比合理的拢焰罩（长度一般不低于30 mm）； 在通道的布置上，煤风通道应在内、外净风通道的里面（见图5）。这四个条件中缺少任何一项，都会影响系统在保证熟料产质量和热耗的工况下减少氮氧化物，同时降低热耗的技术性能。

图5 低氮燃烧器头部结构

喷煤管的净风压力增大，窑内NOx增加。但一些喷煤管的结构决定了其在低压力下不能有效控制窑内工况，必须高风速高压力才能保证性能。

分解炉和回转窑组合后的系统，在生产中必同时兼顾。首先要保证窑内工况正常，使熟料质量合格，并不能增加热耗；其次是要减少窑内的过剩空气系数，控制窑内NOx的生成量；三是要保证分解炉的性能，不能降低分解炉的能力和增加热耗。

运行中的主要控制数据为：

（1）控制窑内过剩空气系数≤1.05。

（2）窑头喷煤管的净风压力P≤36 kPa；

（3）三次风管阀门的开度大于85%；

（4）在不能采用精准平衡操作技术[1]的工况下，高温风机的转速应尽量降低；

（5） 喷煤管相对于窑口中心线的位置应该尽量远离物料，以免煤粉落入熟料中形成还原气氛，影响熟料的质量。

从国内已经运行的一些其他公司设计的系统来看，如果不能有效控制窑内过剩空气系数，减少氮氧化物的生成量，分解炉分级燃烧的脱硝效果就不能达到预期效果。同时，由于在分解炉还原区域喷入煤粉，不但容易使热耗增加，而且会延长煤粉的燃尽时间，使煤粉在预热器中燃烧，造成预热器堵塞。所以，在分级燃烧系统运行中，采用精准平衡操作技术[1]，可以把三次风管的阀门全部打开，使窑内的过剩空气系数控制在≤1.05的工况下，减少窑内的NOx的生成量，保证分级燃烧的效果。

5 改造效果

从已稳定运行的7条生产线的情况看（包括这条生产线），采用分解炉分级燃烧技术并在窑头采用高性能的低氮燃烧器的系统，在系统产量不变的情况下：

（1）C1出口的NOx可以降低40%～50%，见表1；

表1 改造后的7条生产线的运行情况

（2）分解炉的用煤量明显减少，这7条生产线降低标煤耗在5 kg/t熟料以上；

（3）熟料的游离钙平均值下降，合格率提高5%～8%；

（4）C1出口的压力降低500～800 Pa；

（5）系统运行稳定，调试时间不大于7天，运行中可以实现长时间不进行调整的运行状况。

表1所列的项目中，只有JY厂是只做了分解炉的改造而没有在窑头采用符合前述条件的低氮燃烧器，则出现了效果稍差的情况。但是也会比一般的分级燃烧技术好得多，特别是在减少用煤量和系统运行的稳定性方面比较突出。

6 结束语

合理的设计分解炉分级燃烧的工艺系统，选择性能好的低氮燃烧器，采用合理的的操作方法，可以有效稳定地降低系统的 NOx的生成量，同时降低系统热耗和电耗，保证系统的稳定运行。

归纳起来，笔者所论述的分解炉分级燃烧技术具有以下特点： 可以形成稳定的还原区域，还原窑气中的NOx；分解炉的温度场均匀，不易产生燃料型NOx；分解炉的流场稳定均匀，垂直于分解炉中心线的横截面上气体速度均匀；改造后，三次风管的阀门可以全部打开运行，窑炉两个系列的烟气和空气重新平衡在新的状态，不但系统的平衡阻力降低，而且有利于发挥分解炉的重要作用；可以消除分解炉锥体部位容易出现结皮的现象；管道中的分料阀可以方便地调节各个位置的用煤量。这项技术已由本公司申请了名为“分级燃烧分解炉”的专利（专利号ZL201420135016.9）。

总之，将多项技术综合应用后实现的“水泥熟料节能降氮烧成”技术，是稳定提高系统性能、大幅度降低氮氧化物、大幅度降低系统热耗的同时又提高了熟料产质量的最佳方案。

[1] 郭红军, 金加胜, 沈卫泉, 等. 论熟料烧成系统精准平衡操作技术[J].新世纪水泥导报, 2016(3):22-28.

[2] 刘继斌, 颜新传, 朱精瑞. 4 800 t/d预分解窑分级燃烧技术的实践[J].新世纪水泥导报, 2015(6):23-26.

TQ172.625.3

B

1008-0473(2016)04-0029-05 DOI编码：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.04.006

2016-05-20）