分解炉梯度燃烧自脱硝技术的研究与工程应用

陈昌华，代中元，彭学平，姚国镜

1 引言

为加快改善环境空气质量，中央和地方政府相继出台文件，严格控制大气污染物排放指标。我国各行业大气污染物排放标准愈加严格，其中对水泥窑烟气排放的要求也进一步提升。由于烟气NOx排放标准越来越严格，水泥厂烟气脱硝系统的氨水消耗量逐渐增多，水泥生产运行成本也随之增加。工业氨水主要通过氨气水化来制备，而合成氨气的过程中会有大量的能耗，同时产生污染物排放，使用氨水脱硝不仅会增加水泥厂运行成本，也会产生二次污染。利用水泥窑烧成系统特有的原料和煅烧工艺特点，进行分解炉自脱硝技术开发，降低烟气处置的本底浓度，可以从根本上减少污染物的排放，降低水泥企业的烟气治理成本。

1999年，天津水泥工业设计研究院有限公司率先开展了水泥窑降低NOx排放技术研发工作，并在该技术领域承担了国家“863”重大专项项目《水泥预分解窑系统降低氮氧化物的技术研究》和国家重大产业技术开发专项项目《降低水泥窑氮氧化物排放的关键技术开发》等国家级科研项目。2007年，公司在华润南宁项目应用第一代分解炉脱硝技术，在TTF型分解炉系统中设计脱硝风管，采用三次风分级燃烧技术路线降低出炉烟气NOx。2018年，公司开发出第二代分解炉脱硝技术，采用多级梯度燃烧自脱硝技术路线，解决了分解炉运行稳定性问题，同时大幅度提升了脱硝效果，该技术已经成功应用于湖北某水泥生产线等多个技改项目。

2 水泥窑系统NOx的生成机理

按照燃烧过程中NOx形成的不同机理，可将氮氧化物分为三种类型：燃烧用空气中的N2在高温条件下氧化形成的热力型NOx；燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中被氧化分解形成的燃料型NOx；碳氢基团反应过程中形成的中间产物和N2反应形成的快速NOx。水泥生成过程中，回转窑和分解炉是两个主要的燃烧设备，也是烟气NOx生成的部位（见图1）。

图1 水泥烧成系统NOx的生成部位

（1）回转窑内燃烧产生的NOx以热力型NOx为主。热力型NOx的生成主要受燃烧温度的影响，其生成量与温度呈指数相关，苏联科学家Zeldovich提出热力型NOx的形成速率表达式：

式中：

[O2]、[N2]、[NO]--O2、N2、NO的浓度，gmol/cm3

T——绝对温度，K

t——时间，s

R——通用气体常数，J/（gmol·K）

根据式（1），温度＜1 500℃时，热力型NOx很少；温度＞1 500℃后，温度每提高100℃，热力型NOx增加3～4倍。回转窑内的最高温度一般高达1 800～2 000℃，热力型NOx占主导，视窑内煅烧温度的高低，出窑烟气NOx浓度一般为500～1 500mg/m3（标）。

（2）分解炉内燃烧产生的NOx以燃料型NOx为主。燃料型NOx主要与燃料中N含量和燃烧气氛相关，当燃料中N含量高时，燃料型NOx往往较高。燃烧过程中，燃料N先转换为-CN基或-NH2基，再反应为NOx或N2。在氧化气氛下，燃料N往往生成NOx，在还原气氛下，燃料N生成N2的趋势增大。分解炉内燃料约占烧成系统总燃料的60%，燃烧温度一般为900～1 100℃，热力型NOx的生成量可以忽略不计，燃料型NOx是分解炉内燃烧生成NOx的主体。

3 分解炉梯度燃烧自脱硝技术原理

分解炉梯度燃烧自脱硝技术的基本原理是，通过燃烧产生的还原性中间产物（主要成分为CO）还原回转窑内产生的NOx，同时利用还原气氛抑制分解炉内生成NOx，在不影响燃料燃尽的前提下，降低出炉烟气NOx的浓度。梯度燃烧的核心是要在分解炉内形成强贫氧区-贫氧区-富氧区的梯度分布燃烧环境，实现分解炉脱硝功能（见图2）。

图2 分解炉梯度燃烧示意图

（1）强贫氧区：三次风管以下部位，其特征是过剩空气系数＜0.5，为强还原气氛，出窑热力型NOx大部分在此区域还原。

（2）贫氧燃烧区：为三次风管与脱硝风管之间的区域，其特征是过剩空气系数为0.5～1.0，为弱还原气氛，分解炉内燃料型NOx被抑制生成或被还原。

（3）燃尽区：为脱硝风管以上的区域，过剩空气系数＞1.0，燃料在此区域充分燃尽。

为了建立梯度燃烧环境，入分解炉的三次风、燃料和生料要进行分级设计，通过多点喂料、多点喂煤和空气分级燃烧建立不同气氛的燃烧区间，同时分解炉内温度需精准控制，从而在燃料充分燃烧的前提下实现烟气脱硝。

4 实验室脱硝试验

为了摸索还原性气体CO与NOx的化学反应特性，在实验室搭建了竖式电炉模拟反应试验装置。该装置主要分为三个单元：配气单元、反应单元和检测单元。配气单元主要由标气瓶和减压阀构成，标气可根据配气的需要进行更换，本次试验配置了NO、CO、CO2、O2和N2等标气，用于模拟分解炉内烟气成分。反应单元主要由悬浮炉以及相应的温控系统构成，脱硝化学反应在炉膛内进行。检测单元主要由气体分析仪、热电偶、流量计等构成，用于测试反应前后气体的成分、气体流量、炉膛温度等。图3为试验装置的流程图，图4为竖式电炉腔体结构图。

通过竖式电炉试验装置进行试验，获得在不同的炉膛温度、停留时间、还原剂浓度下的CO与NO混合气化学反应进程、NO脱除率等，为梯度燃烧自脱硝分解炉的设计提供了参考数据。

主要试验结论有：

（1）CO和NO在500℃左右开始反应。随着炉膛内温度的升高，NO浓度的下降速率加快，提高温度有利于加快CO对NO的还原反应。

图3 试验装置流程图

图4 竖式电炉腔体结构

（2）CO浓度越高，NO被还原程度越高。

（3）反应时间越长，CO和NO的反应程度越高，反应时间至3s以上NO仍有下降趋势。

5 工程应用

分解炉梯度燃烧自脱硝技术已经成功应用在湖北某水泥生产线等多个项目，其中湖北某生产线是天津水泥工业设计研究院有限公司首条应用该技术的生产线（图5）。该生产线由天津水泥院设计，于2007年投产运行。2018年初，生产线实施烧成系统整体技术改造，其中分解炉的技改方案采用天津水泥院最新开发的多级梯度燃烧自脱硝技术，以降低出炉烟气NOx本底浓度，节省SNCR系统氨水消耗成本。2018年4月底，该生产线完成技术改造并顺利投料运行，经过不到两周的工业试验和生产调试，分解炉自脱硝系统顺利实现并超出技改目标，氨水用量相较改造前大幅度降低，技术水平受到厂方的高度认可。

（1）实现了脱硝效率＞60%，出分解炉烟气NOx本底浓度＜400mg/m3（标）

分解炉自脱硝系统投运前后分别测试了分解炉出口（喷氨前）烟气的气体成分（表1）。其中，自脱硝系统运行前，现场测试分解炉出口烟气中NOx体积分数为764ppm，对应的浓度为 898mg/m3（标）（10%O2，以 NO2计）；自脱硝系统运行后，分解炉出口烟气中NOx体积分数下降至262ppm，对应的浓度为299mg/m3（标）。自脱硝系统投运前后NOx的浓度下降了599mg/m3（标），脱硝效率达到66.7%。

（2）脱硝系统氨水用量下降60%以上技改前，生产线单位熟料氨水用量为3.12 kg/t熟料（2017年年平均值）。技改实施后，截至目前生产线已经连续稳定运行了8个月，根据厂方月统计结果，脱硝系统氨水用量均较技改前下降60%以上，其中6月份降幅达到87.6%（图6）。

自脱硝分解炉技改后，由于氨水用量大幅度下降，厂方更加严格控制了烟气NOx的排放浓度。技改前，烟气NOx排放浓度平均为200～300mg/m3（标），技改后烟气NOx排放浓度控制到200mg/m3（标）以下，其中2018年12月，NOx排放按照100mg/m3（标）来控制（表2）。

图5 湖北某生产线分解炉自脱硝技改现场

表1 分解炉自脱硝系统投运前后烟气测试

图6 技改前后氨水用量对比

表2 技改后烟气NOx月平均排放浓度

自脱硝系统投运后，摸索了不同NOx排放指标下对应的氨水用量，当NOx排放浓度控制在≤400mg/m3（标）时，脱硝系统氨水泵在大部分运行工况下可以停用，无需消耗氨水。2018年12月份尝试将NOx排放浓度控制在100mg/m3（标）左右，该月份单位熟料对应的氨水用量平均为2.16kg/t熟料，在氨水成本不增加的前提下达到洁净排放的指标。

（3）经济效益显著

生产线改造前单位熟料氨水用量为3.12kg/t熟料（2017年年平均值），吨氨水价格约为700元，折算单位熟料对应的氨水成本约2.18元/t熟料。采用分解炉梯度燃烧自脱硝技术改造后，分解炉自脱硝效率超过60%并保持连续稳定运行，在NOx排放指标进一步严格控制的条件下，氨水用量也大幅度降低，据统计，2018年5月至12月单位熟料氨水用量平均为0.91kg/t熟料，生产线年熟料产量按130万吨计，则每年可节约氨水成本=（3.12-0.91）/1 000×700×130=201万元。除此之外，NOx排放指标严格控制后，该生产线烟气处理排污费用也相应减少。

6 结语

为了进一步降低水泥烧成系统NOx本底浓度，减少脱硝装置的氨水消耗成本，天津水泥院推出了第二代分解炉分级燃烧技术，即梯度燃烧自脱硝技术。该技术已经在湖北某生产线等多个项目成功应用，脱硝效果均十分显著。湖北某生产线实施分解炉自脱硝技术改造后，在NOx排放浓度更加严格的条件下，脱硝系统氨水用量降低60%以上，最好月份降低87.6%，氨水消耗成本大幅度降低，为企业创造了十分可观的经济效益。