分级燃烧技术在5 000t/d熟料生产线的应用实践

黄彬，孙文博

1 前言

随着环保形势的日益严峻，NOX排放成为水泥行业重点管控指标之一。新型干法水泥窑因烧结温度高、过剩空气量大，使其NOX排放浓度高且排放量大，脱硝工作面临着艰巨的挑战。目前，水泥厂大多采用选择性非催化还原（SNCR）技术控制水泥窑炉NOX的排放，但SNCR 技术脱氮效率低，日常运行费用高，给企业增加了较重的经济负担。

我公司5 000t/d水泥熟料生产线采用SNCR技术脱硝。在正常生产情况下，水泥窑烟气NOX排放要求＜100mg/Nm3（10%O2）时，氨水（浓度20%）用量约8.3kg/t.cl，熟料生产成本较高，氨逃逸对环境造成污染。在水泥窑脱硝过程中，氨水中的大部分水分被窑尾废气蒸发，会产生一定的蒸发热，使得煤耗增加；同时，水分随高温气流在热工设备中流动，会造成高温风机、窑尾排风机设备本体及其管道的腐蚀，以及袋收尘器的收尘袋结露等问题。这些问题不仅会严重影响熟料的正常生产，造成临时停窑停产，还会增加日常维护和停窑检修工作的时长与人工成本。

为消除脱硝不利造成的不良影响，我公司决定采用低氨分级燃烧技术，利用生产线的例行停窑检修时间对脱硝系统进行技术改造。改造以SNCR脱硝技术为基础，利用煤粉所带水分与煤粉气化所产生的水煤气、燃煤产生的CHi、CO、生料粉等还原物质，与烟气中的NOX反应，降低NOX的浓度，从而减少SNCR脱硝时的氨水用量。技改后，该生产线不仅降低了生产成本、满足了NOX排放要求，同时由于氨水用量的降低，减少了热耗，减弱了NOX对后续余热发电、生料制备、废气处理等系统的设备腐蚀，降低了收尘器糊袋概率，也减少了氨逃逸，提高了生产线的产能利用率。

2 工作原理

2.1 水泥窑氮氧化物（NOX）的生成机理

水泥生产排放的氮氧化物（NOx）主要为NO和少量的NO2，其中NO 占95%以上。水泥窑烟气脱硝是通过向分解炉内喷入大量还原剂NH3·H2O，以实现环保达标。水泥窑氮氧化物的形成机理如下：

（1）热力型NOX的形成。热力型NOX是空气中的N2在高温下氧化而产生的NOX。热力型NOX的产生量主要取决于反应温度，反应温度达1 300℃以上时，NOX随着温度的不断升高而成倍数大量生成。化学反应方程式如下：

（2）燃料型NOX的形成。燃料型NOX是燃料中的含氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成的NOX。

（3）快速型NOX的形成。快速型NOX是空气中的N2与燃料中的碳氢基团（CH、CH2等）在反应区附近快速生成的NOX，其生成量较少，一般占NOX总量的5%以下。

2.2 分级燃烧技术工作原理

煤粉在贫氧高温环境下产生CO，煤粉中＜2%的水分在高温下产生水煤气，通过优化分解炉煤粉燃烧系统、三次风管、C4 下料管等，在分解炉锥体部位建立还原剂产生区、NOX还原区。

（1）还原剂产生区工作原理

煤粉利用无焰燃烧器均匀喷至贫氧燃烧区内，煤粉在高温贫氧条件下，产生CO 还原剂，煤粉中＜2%的水分在高温无氧条件下与碳反应生成CO、H2还原剂，煤挥发分在高温下析出CH4、HCN 等还原剂。化学反应方程式如下：

挥发分析出CH4、HCN。

（2）NOx还原区工作原理

在热生料调节温度及催化作用下，窑尾烟气中的 NOx 在还原区内与 CO、H2、CH4、HCN 等还原剂发生反应，将NOX还原成无污染的惰性气体N2。此外，少量的碳在缺氧条件下将NO 还原成N2，并且抑制自身燃料型NOx 的产生。其化学反应方程式如下：

一般情况下，NOX的还原时间为0.6s～0.8s。

3 改造关键节点

改造后的工艺流程如图1所示。

图1 改造后的工艺流程

3.1 分解炉煤粉燃烧系统技改

将4 支新贫氧燃烧器安装在分解炉锥体底部膨胀节以上合适位置，煤粉经分煤器、输煤管道进入改造后的4支新贫氧燃烧器，喷入分解炉中。改造后的窑尾煤管安装位置如图2所示，具体改造方案如下：

图2 改造后窑尾煤管安装位置

（1）拆除原有输煤管道及分煤器，更换新的输煤管道和分煤器，连接4支新贫氧燃烧器。

（2）在原主煤管合适位置安装分煤器。新改管道按照使用要求和现场位置情况，在原分煤器位置安装3个一分为二的分煤器，在合适位置制作分煤器闸阀操作平台护栏。改造后的4 根输煤管将煤粉均匀输送至4支新贫氧燃烧器。

（3）将4支新贫氧燃烧器安装于分解炉锥体底部膨胀节以上合适位置，并在同一水平面内360°均布。煤粉经燃烧器喷嘴高速进入还原区内并充分分散，在炉内形成径向扩散，在此形成的缺氧环境中燃烧产生还原物质，还原窑尾烟气中大量的NOX，脱硝效果良好。

3.2 三次风管技改及进口优化

为了使低氧还原区具有充足的反应空间，对分解炉三次风管进行上移改造，具体改造方案为：

在原三次风管进口上部、分解炉直筒部位合适位置开孔，把进入分解炉的三次风管上移，使其均匀抬高合适的高度；将三次风管与分解炉上新开的开口对接；封闭原分解炉上三次风进口，形成新的三次风通道；优化三次风管进入分解炉部分，使三次风平滑切入分解炉内。

3.3 C4下料管技改

C4 下料管中的生料，通过分料阀进入分解炉的不同位置，可以达到调节分解炉锥体温度，防止高温结皮现象的产生。同时，部分物料进入改造的低氧还原区后，可以利用生料中氧化钙等碱金属氧化物对煤焦及煤粉的催化作用，还原窑炉内生成的NOX。挥发分含量越高的煤，生料对还原NOX的催化作用越强。根据原系统的运行状况，对原C4 下料管下料位置进行改造，具体改造方案为：

随三次风进口位置的变化，调整三次风管上部的C4 撒料盒安装位置，将另外两个撒料盒中的一个上提至合适的位置，将另一个撒料盒安装在分解炉直筒的底部。撒料盒全部更换为可在线控制阀板角度的可调式撒料盒。改造后三次风管、C4 下料管安装位置如图3所示。

图3 改造后三次风管、C4下料管安装位置

可调式撒料盒可以在线调整扬料板，使物料分散更均匀，反应更充分，增强了氮氧化物与还原剂的反应效果，降低了系统塌料风险。可调式撒料盒如图4所示。

图4 可调式撒料盒示意图

3.4 SNCR喷枪系统技改

在C5 旋风筒合适部位共安装12 支脱硝喷枪，将氨水及雾化所需要的压缩空气从原脱硝系统控制柜内引出，控制系统保持不变。脱硝喷枪安装位置如图5所示。

图5 脱硝喷枪安装位置

4 改造后的操作要点

（1）对水泥窑系统采取精细化操作，优化回转窑系统热工制度，保持适宜煅烧温度，确保生料、燃料喂料量均匀稳定。

（2）严格控制系统用风，在不影响熟料质量的前提下，尽量降低空气过剩系数，将空气过剩系数控制在1.05 以内。确保窑尾烟室O2含量≤3%，但也要保证窑头煤粉完全燃烧，窑内不能出现还原气氛，否则易形成黄心料。如果窑尾烟室氧含量偏高，可以适当抬高三次风闸板，保证窑尾烟室氧含量在合理范围内，否则还原区形成不好，氨水的消耗量会增加。

（3）烧成带温度过高对减少热力型NOx 不利,在保证质量的前提下，可以通过调整配料、添加外加剂等方法合理控制烧成温度，减少窑内热力型NOX的形成。

（4）对全系统进行密封堵漏，防止漏风，避免喷入的煤粉在过氧条件下燃烧，出现高温结皮，进而影响脱硝效率及系统燃烧的正常运行。

（5）进一步调整喷煤量、C4分料量及三次风用量，找出三者之间的最佳匹配量。我公司实践表明，分解炉出口温度不宜过高，不然会造成窑尾频繁结皮。改造后，我公司确定的最佳控制参数为：分解炉出口温度在860℃～870℃，窑头煤与窑尾煤的比例在4.2：5.8～4.5：5.5，C4 下料管中生料100%经上提之后再下料，三次风闸板开度45%。

5 改造效果

（1）改造后，在正常生产情况下，水泥窑烟气NOX排放要求＜100mg/Nm3时，氨水（浓度20%）用量约4.1kg/t.cl，氨水用量较技改前节省50%以上，节氨效果显著。

（2）改造前，生产线氨逃逸浓度平均值为1.71mg/Nm3，≯8mg/Nm3合格率93.42%；改造后，生产线氨逃逸浓度平均值为0.27mg/Nm3，≯8mg/Nm3合格率100%。

（3）改造后，运行参数更加优化，系统运行期内，产品质量稳定性提升，对原SNCR 脱硝喷氨系统及生产线运行无负面影响。

（4）改造前，熟料游离氧化钙合格率86.2%（游离氧化钙控制指标≤1.5%），3d 抗压强度29.3MPa，28d 抗压强度57.4MPa，窑产量232.2t/h。改造后，熟料游离钙合格率85.6%（游离氧化钙控制指标≤1.5%），3d 抗 压 强 度 28.9MPa，28d 抗 压 强 度57.2MPa，窑产量231.7t/h。改造前后上述指标变化不大，改造对窑系统产质量基本无影响。

（5）本次技术改造无二次污染，没有污染物或副产物生成。

6 结语

在降低氮氧化物排放的改造中，采取以增加分解炉还原区、延长还原反应时间为主，以分散物料、提高反应效率为辅的思路，改造过程简单，后期运行费用低。生产实践显示，分级燃烧低氨脱硝技术可还原窑内产生的热力型NOX，抑制燃料型NOX的生成，可从源头有效降低NOX的产生。