摘要：為降低水泥窯系統(tǒng)氮氧化物排放濃度，國內(nèi)水泥企業(yè)和設計院所紛紛研究開發(fā)分級燃燒技術(shù)并投入實際應用，取得良好效果。對分級燃燒技術(shù)方案作一些介紹，并結(jié)合實例對使用效果進行分析和研討。

  0  前 言

  低氮分級燃燒技術(shù)起源于美國20世紀50年代的燃煤電廠。在水泥行業(yè)，從80年代開始，隨著水泥預分解技術(shù)的日趨成熟，開始開發(fā)應用該技術(shù)，實現(xiàn)對水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的NOx減排。為落實國家《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》要求，降低水泥窯系統(tǒng)氮氧化物排放濃度，國內(nèi)水泥企業(yè)和設計院所紛紛研究開發(fā)分級燃燒技術(shù)并投入實際應用，取得良好效果。該技術(shù)屬一次性投資，不增加生產(chǎn)線運行成本，但對操作要求較高，通過操作優(yōu)化也有利于改善系統(tǒng)運行狀況。本文對分級燃燒技術(shù)方案作一些介紹，并結(jié)合實例對使用效果進行分析和研討。

  1   低氮分級燃燒技術(shù)原理和減排目標

  1.1   技術(shù)原理

  燃料分級燃燒是指在煙室和分解爐之間建立還原燃燒區(qū)，將原分解爐用燃料的一部分均布到該區(qū)域內(nèi)，使其缺氧燃燒以便產(chǎn)生 CO、CH₄、H₂、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NOx發(fā)生反應，將NOx還原成N₂等無污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒也抑制了自身燃料型NOx產(chǎn)生，從而實現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的 NOx 減排。

  主要化學反應過程如下：

  2CO + 2NO → N₂ + 2CO₂

  2H₂ + 2NO → N₂ + 2H₂O

  NHi +  NO → N₂ + …

  1.2 設計思想

  （1）對窯尾煙室入爐煙氣進行整流，將上升煙道改造成方形，同時，將上升煙道的直段延長，使窯內(nèi)煙氣入爐流場穩(wěn)定，降低入爐風速；

  （2）在上升煙道與分解爐錐部連接處設計弧面揚料臺，防止塌料現(xiàn)象發(fā)生，同時易于生料與氣流的混合；

  （3）在分解爐錐部設計脫氮還原區(qū)，將分解爐煤粉分4點、上下2層喂入，增加了燃燒空間。在保證煤粉充分燃燒的同時，適當增加分解爐錐部的煤粉喂入比例，保證缺氧燃燒產(chǎn)生的還原氣氛，還原窯尾煙氣中大量的NOx，產(chǎn)生良好的脫硝效率；

  （4）根據(jù)原系統(tǒng)的運行狀況，調(diào)整C4下料點位置，使生料沿分解爐錐部內(nèi)部下滑，避免分解爐錐部高溫結(jié)皮現(xiàn)象；

  （5）根據(jù)原系統(tǒng)三次風入爐速度和流場分布的需要，調(diào)整三次風入口面積大小和入爐風速；

  （6）操作上，適當降低窯內(nèi)通風和喂煤量，增加三次風量和分解爐喂煤量，盡量降低窯內(nèi)過剩空氣系數(shù)，減少NOx的生成量；降低506風機轉(zhuǎn)速，盡量減少系統(tǒng)用風，在保證脫硝效率的同時可降低熟料燒成熱耗，同時系統(tǒng)阻力有所降低。

  分級燃燒技術(shù)主要有空氣分級燃燒和燃料分級兩種類型。

  1.3  分級燃燒脫氮技術(shù)應用的影響因素

  影響分級燃燒脫氮技術(shù)應用及效果的主要因素包括：原、燃料的情況、煤粉在脫氮區(qū)的停留時間、窯尾的氧含量等。

  （1）嚴格控制原、燃料中有害成分，生料中的Cl^-＜0.015%（max0.02%）,K₂O+NaO＜1%,硫堿比＜1.5%，以保證系統(tǒng)的正常運行；

  （2）相對無煙煤而言，煙煤的高揮發(fā)份能夠提供更多還原物質(zhì)，提高分級燃燒的脫氮效率；

  （3）窯尾煙室的氧含量越低，分級燃燒的脫氮效果越好。在窯尾氧含量高于3.5%時，將影響分級燃燒的效果，因此必須以全面提高生產(chǎn)管理水平和精細化操作水平為保證，此點對于大多水泥廠來說是一挑戰(zhàn)。

  （4）脫氮區(qū)空間需能夠滿足煤粉及還原性物質(zhì)還原NOx所需的停留時間。

  1.4 減排目標

  通過實施分級燃燒技術(shù)改造，達到NOx排放濃度下降30%的目標，并根據(jù)各生產(chǎn)線具體情況，通過生產(chǎn)管理和精細化操作等手段，將NOx的排放濃度控制在500-550mg/Nm³的水平。

  2  技術(shù)方案

  分級燃燒技術(shù)要針對不同窯爐系統(tǒng)進行設計，前期要收集系統(tǒng)原始設計數(shù)據(jù)和實際運行參數(shù)，并對原燃材料特性進行分析。施工過程中，要安排專業(yè)技術(shù)人員跟蹤監(jiān)控，做好窯尾煙室縮口尺寸、分解爐托臺尺寸、燃燒器安裝箱內(nèi)部尺寸等原始數(shù)據(jù)收集，建立技術(shù)臺帳，為后期運行和調(diào)整提供依據(jù)。低氮燃燒技術(shù)方案主要包括以下方面：

  （1）分解爐錐體及上升煙道：根據(jù)不同分解爐工藝狀況，對分解爐錐體及上升煙道進行改造，改變窯尾煙室出口與分解爐錐部之間的上升煙道形狀和高度，并在分解爐錐部下口設計揚料跳臺，對窯尾煙氣進行整流，防止塌料現(xiàn)象；

  （2）分解爐燃燒器：南京院、成都院廢棄原分解爐2個燃燒器，新設4個燃燒器，上部2個對稱布置在分解爐柱體，下部2個對稱布置在分解爐錐部；天津院保持原分解爐兩個燃燒器位置不變，在分解爐錐部對稱增加兩個燃燒器。改造后下部2個燃燒器的喂煤量為窯尾喂煤量的55-65%，在分解爐錐部形成還原區(qū)，還原窯內(nèi)產(chǎn)生的NOx；

  （3）窯尾粉煤輸送管道：根據(jù)南京院、成都院分級燃燒改造設計的燃燒器位置，相應的對窯尾煤粉輸送管道進行重新設計和改造，保證煤粉在上下部燃燒器的焚燒比例，并通過設計帶分料擋板的煤粉三通閥，實現(xiàn)煤粉分配比例的微調(diào)；天津院早期燒成系統(tǒng)，其分解爐爐容較小，根據(jù)實際情況，先對煤粉管道進行改造，不增加計量系統(tǒng)，后期可根據(jù)改造效果，增加單獨的煤粉秤便于更好地精確控制分解爐上下兩層的煤粉分配比例，以提高實際生產(chǎn)的可控性；

  （4）C4下料點的變動和調(diào)整：天津院原分解爐4點進料改為2點進料，封閉分解爐上部2個進料口，C4物料全部從下部2個進料口喂入，達到控制分解爐錐部溫度，防止高溫結(jié)皮現(xiàn)象的產(chǎn)生。南京院、成都院C4下料點不變；

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  （5）三次風管的改造：根據(jù)實際情況，成都院系統(tǒng)降低三次風入爐風速，將風速從原來的26.7m/s降低至18.2m/s，入口截面積由原來的5.8m2增加至7.5m²。天津院、南京院系統(tǒng)不作大的改動；

  4  運行調(diào)試

  4.1 系統(tǒng)用風調(diào)整

  因采用分級燃燒技術(shù)，嚴格控制系統(tǒng)用風量，通過降低窯尾高溫風機轉(zhuǎn)速及提高三次風擋板開度，控制系統(tǒng)0₂含量，預熱器出0₂含量控制在2.0%以內(nèi)；

  4.2 三次風調(diào)整

  三次風至分解爐進風口改為長方形，截面積減少，提高了三次風速，增強旋流效應，為防止下部燃燒器用煤量較大時，煤粉貼壁燃燒而造成局部高溫現(xiàn)象，及時打開三次風擋板，增加三次風量，改善分解爐燃燒效果，優(yōu)化窯爐用風比例。因窯內(nèi)二次風量降低，還原氣氛過多，適當提高入窯物料溫度，保證熟料煅燒質(zhì)量；

  4.3 分解爐分煤比例調(diào)整

  技改方案中分解爐上部與下部燃燒器用煤比例為40%：60%，實際操作中為了提高錐部還原區(qū)CO濃度，增強還原效果，適當調(diào)整用煤比例，將分解爐上部與下部用煤比例從40%：60%調(diào)整為35%：65%，增加下部用煤量，提高還原效果，現(xiàn)場檢查分解爐錐部無結(jié)皮，窯工況穩(wěn)定，熟料產(chǎn)質(zhì)量受控。

  5  分級燃燒使用效果分析

  以安徽海螺集團為例，分級燃燒技術(shù)改造后各生產(chǎn)線運行情況良好，脫硝效果明顯，南京院分解爐脫硝效率約為30%，成都院分解爐約為40%，天津院分解爐約為25%。三種爐型生產(chǎn)線改造前后運行參數(shù)對比見表1。

  6 總 結(jié)

  根據(jù)不同窯爐系統(tǒng)分級燃燒技術(shù)應用實際情況，得出以下結(jié)論：

  （1）分級燃燒技術(shù)改造脫硝效果明顯，NOx減排效率平均在30%左右（特別是對分解爐爐容較大的生產(chǎn)線脫硝效率更加明顯），且改造后不影熟料產(chǎn)質(zhì)量，未發(fā)現(xiàn)窯尾煙室、分解爐等部位有結(jié)皮現(xiàn)象，系統(tǒng)運行正常穩(wěn)定；

  （2）改造后改變傳統(tǒng)大風大料操作思路，主要運行參數(shù)得到優(yōu)化，窯尾高溫風機轉(zhuǎn)速下降，預熱器出口溫度和負壓降低，熟料熱耗下降10-20Kcal/kg^-cl，由于系統(tǒng)用風減少，熟料電耗也相應有所降低；

  （3）窯尾煙室上升煙道以及分解爐下錐體的耐火材料改造效果較好，不易產(chǎn)生塌料現(xiàn)象，窯內(nèi)通風更易于穩(wěn)定，窯尾負壓降低，且波動幅度減小，較改造前穩(wěn)定；

  （4）窯頭、窯尾喂煤量比例對分級燃燒的NOx減排效果影響明顯，窯頭喂煤量減少，分解爐喂煤量增加，預熱器出口NOx濃度下降，反之，則上升；

  （5）通過對分解爐下部結(jié)構(gòu)改造和窯尾燃料的分級燃燒，構(gòu)建了還原區(qū)域，改善了窯內(nèi)的通風，并通過流場的整形，創(chuàng)造了良好的脫硝空間，起到了較好的脫硝和運行效果。

  7  問題與建議

  （1）分級燃燒技術(shù)改造后，中控操作主導觀念變化較大，操作上需要平衡產(chǎn)質(zhì)量與減排效果的關(guān)系，操作難度增加，需進一步優(yōu)化生產(chǎn)管理及操作控制，減少系統(tǒng)用風，嚴格控制窯尾的O2含量不高于3%，盡可能減少窯頭用煤；

  （2）技改實施過程中需要嚴格按照圖紙施工，確保設計思想和改造意圖得以充分體現(xiàn)和發(fā)揮，避免產(chǎn)生其它問題而影響生產(chǎn)，建議采用三次風分風分級燃燒改造與燃料分級燃燒改造同步實施，進一步強化分級燃燒效果；

  （3）改造后需要注意窯尾SO₂排放是否會導致增加，并從理論上加以分析與解決，加強研究原燃材料成分、操作、配料以及原煤細度對降低NO_X的影響。

  8  水泥行業(yè)脫硝減排建議

  （1）國家應從現(xiàn)實角度出發(fā)，制定切實可行的氮氧化合物減排標準。標準的制定既要達到控制氮氧化合物排放目的，也應符合目前的技術(shù)現(xiàn)狀。

  （2）采用和推廣低NOx燃燒技術(shù)。單純采用SNCR技術(shù)或SCR技術(shù)不是最有效的解決方案，這兩種技術(shù)存在的問題：一是大幅度提高企業(yè)的生產(chǎn)成本，二是需要消耗大量的氨水或尿素，這也是一種二次能源浪費和環(huán)境污染，其中SCR技術(shù)對水泥生產(chǎn)工藝的適應性還有待進一步探索。目前采用的低氮燃燒技術(shù)已通過實踐驗證，節(jié)能減排效果明顯，值得行業(yè)推廣。正如中材國際工程股份有限公司總工程師，“全國工程勘察設計大師”蔡玉良所言：水泥行業(yè)脫硝應以分級燃燒主，SNCR技術(shù)為輔，降低脫硝運行成本，確保水泥企業(yè)能夠長期有效的滿足氮氧化物減排的控制需要。

  （3）政府應借鑒對燃煤發(fā)電廠的環(huán)境經(jīng)濟政策，對實施脫硝改造的企業(yè)給予脫硝投資補貼及水泥產(chǎn)品銷售稅收適度減免政策，以調(diào)動企業(yè)積極性，促進全行業(yè)脫硝技術(shù)的快速發(fā)展。