分解爐梯度燃燒自脫硝技術的研究與工程應用

陳昌華，代中元，彭學平，姚國鏡

1 引言

為加快改善環境空氣質量，中央和地方政府相繼出臺文件，嚴格控制大氣污染物排放指標。我國各行業大氣污染物排放標準愈加嚴格，其中對水泥窯煙氣排放的要求也進一步提升。由于煙氣NOx排放標準越來越嚴格，水泥廠煙氣脫硝系統的氨水消耗量逐漸增多，水泥生產運行成本也隨之增加。工業氨水主要通過氨氣水化來制備，而合成氨氣的過程中會有大量的能耗，同時產生污染物排放，使用氨水脫硝不僅會增加水泥廠運行成本，也會產生二次污染。利用水泥窯燒成系統特有的原料和煅燒工藝特點，進行分解爐自脫硝技術開發，降低煙氣處置的本底濃度，可以從根本上減少污染物的排放，降低水泥企業的煙氣治理成本。

1999年，天津水泥工業設計研究院有限公司率先開展了水泥窯降低NOx排放技術研發工作，并在該技術領域承擔了國家“863”重大專項項目《水泥預分解窯系統降低氮氧化物的技術研究》和國家重大產業技術開發專項項目《降低水泥窯氮氧化物排放的關鍵技術開發》等國家級科研項目。2007年，公司在華潤南寧項目應用第一代分解爐脫硝技術，在TTF型分解爐系統中設計脫硝風管，采用三次風分級燃燒技術路線降低出爐煙氣NOx。2018年，公司開發出第二代分解爐脫硝技術，采用多級梯度燃燒自脫硝技術路線，解決了分解爐運行穩定性問題，同時大幅度提升了脫硝效果，該技術已經成功應用于湖北某水泥生產線等多個技改項目。

2 水泥窯系統NOx的生成機理

按照燃燒過程中NOx形成的不同機理，可將氮氧化物分為三種類型：燃燒用空氣中的N2在高溫條件下氧化形成的熱力型NOx；燃料中的有機氮化合物在燃燒過程中被氧化分解形成的燃料型NOx；碳氫基團反應過程中形成的中間產物和N2反應形成的快速NOx。水泥生成過程中，回轉窯和分解爐是兩個主要的燃燒設備，也是煙氣NOx生成的部位（見圖1）。

圖1 水泥燒成系統NOx的生成部位

（1）回轉窯內燃燒產生的NOx以熱力型NOx為主。熱力型NOx的生成主要受燃燒溫度的影響，其生成量與溫度呈指數相關，蘇聯科學家Zeldovich提出熱力型NOx的形成速率表達式：

式中：

[O2]、[N2]、[NO]--O2、N2、NO的濃度，gmol/cm3

T——絕對溫度，K

t——時間，s

R——通用氣體常數，J/（gmol·K）

根據式（1），溫度＜1 500℃時，熱力型NOx很少；溫度＞1 500℃后，溫度每提高100℃，熱力型NOx增加3～4倍。回轉窯內的最高溫度一般高達1 800～2 000℃，熱力型NOx占主導，視窯內煅燒溫度的高低，出窯煙氣NOx濃度一般為500～1 500mg/m3（標）。

（2）分解爐內燃燒產生的NOx以燃料型NOx為主。燃料型NOx主要與燃料中N含量和燃燒氣氛相關，當燃料中N含量高時，燃料型NOx往往較高。燃燒過程中，燃料N先轉換為-CN基或-NH2基，再反應為NOx或N2。在氧化氣氛下，燃料N往往生成NOx，在還原氣氛下，燃料N生成N2的趨勢增大。分解爐內燃料約占燒成系統總燃料的60%，燃燒溫度一般為900～1 100℃，熱力型NOx的生成量可以忽略不計，燃料型NOx是分解爐內燃燒生成NOx的主體。

3 分解爐梯度燃燒自脫硝技術原理

分解爐梯度燃燒自脫硝技術的基本原理是，通過燃燒產生的還原性中間產物（主要成分為CO）還原回轉窯內產生的NOx，同時利用還原氣氛抑制分解爐內生成NOx，在不影響燃料燃盡的前提下，降低出爐煙氣NOx的濃度。梯度燃燒的核心是要在分解爐內形成強貧氧區-貧氧區-富氧區的梯度分布燃燒環境，實現分解爐脫硝功能（見圖2）。

圖2 分解爐梯度燃燒示意圖

（1）強貧氧區：三次風管以下部位，其特征是過剩空氣系數＜0.5，為強還原氣氛，出窯熱力型NOx大部分在此區域還原。

（2）貧氧燃燒區：為三次風管與脫硝風管之間的區域，其特征是過剩空氣系數為0.5～1.0，為弱還原氣氛，分解爐內燃料型NOx被抑制生成或被還原。

（3）燃盡區：為脫硝風管以上的區域，過剩空氣系數＞1.0，燃料在此區域充分燃盡。

為了建立梯度燃燒環境，入分解爐的三次風、燃料和生料要進行分級設計，通過多點喂料、多點喂煤和空氣分級燃燒建立不同氣氛的燃燒區間，同時分解爐內溫度需精準控制，從而在燃料充分燃燒的前提下實現煙氣脫硝。

4 實驗室脫硝試驗

為了摸索還原性氣體CO與NOx的化學反應特性，在實驗室搭建了豎式電爐模擬反應試驗裝置。該裝置主要分為三個單元：配氣單元、反應單元和檢測單元。配氣單元主要由標氣瓶和減壓閥構成，標氣可根據配氣的需要進行更換，本次試驗配置了NO、CO、CO2、O2和N2等標氣，用于模擬分解爐內煙氣成分。反應單元主要由懸浮爐以及相應的溫控系統構成，脫硝化學反應在爐膛內進行。檢測單元主要由氣體分析儀、熱電偶、流量計等構成，用于測試反應前后氣體的成分、氣體流量、爐膛溫度等。圖3為試驗裝置的流程圖，圖4為豎式電爐腔體結構圖。

通過豎式電爐試驗裝置進行試驗，獲得在不同的爐膛溫度、停留時間、還原劑濃度下的CO與NO混合氣化學反應進程、NO脫除率等，為梯度燃燒自脫硝分解爐的設計提供了參考數據。

主要試驗結論有：

（1）CO和NO在500℃左右開始反應。隨著爐膛內溫度的升高，NO濃度的下降速率加快，提高溫度有利于加快CO對NO的還原反應。

圖3 試驗裝置流程圖

圖4 豎式電爐腔體結構

（2）CO濃度越高，NO被還原程度越高。

（3）反應時間越長，CO和NO的反應程度越高，反應時間至3s以上NO仍有下降趨勢。

5 工程應用

分解爐梯度燃燒自脫硝技術已經成功應用在湖北某水泥生產線等多個項目，其中湖北某生產線是天津水泥工業設計研究院有限公司首條應用該技術的生產線（圖5）。該生產線由天津水泥院設計，于2007年投產運行。2018年初，生產線實施燒成系統整體技術改造，其中分解爐的技改方案采用天津水泥院最新開發的多級梯度燃燒自脫硝技術，以降低出爐煙氣NOx本底濃度，節省SNCR系統氨水消耗成本。2018年4月底，該生產線完成技術改造并順利投料運行，經過不到兩周的工業試驗和生產調試，分解爐自脫硝系統順利實現并超出技改目標，氨水用量相較改造前大幅度降低，技術水平受到廠方的高度認可。

（1）實現了脫硝效率＞60%，出分解爐煙氣NOx本底濃度＜400mg/m3（標）

分解爐自脫硝系統投運前后分別測試了分解爐出口（噴氨前）煙氣的氣體成分（表1）。其中，自脫硝系統運行前，現場測試分解爐出口煙氣中NOx體積分數為764ppm，對應的濃度為 898mg/m3（標）（10%O2，以 NO2計）；自脫硝系統運行后，分解爐出口煙氣中NOx體積分數下降至262ppm，對應的濃度為299mg/m3（標）。自脫硝系統投運前后NOx的濃度下降了599mg/m3（標），脫硝效率達到66.7%。

（2）脫硝系統氨水用量下降60%以上技改前，生產線單位熟料氨水用量為3.12 kg/t熟料（2017年年平均值）。技改實施后，截至目前生產線已經連續穩定運行了8個月，根據廠方月統計結果，脫硝系統氨水用量均較技改前下降60%以上，其中6月份降幅達到87.6%（圖6）。

自脫硝分解爐技改后，由于氨水用量大幅度下降，廠方更加嚴格控制了煙氣NOx的排放濃度。技改前，煙氣NOx排放濃度平均為200～300mg/m3（標），技改后煙氣NOx排放濃度控制到200mg/m3（標）以下，其中2018年12月，NOx排放按照100mg/m3（標）來控制（表2）。

圖5 湖北某生產線分解爐自脫硝技改現場

表1 分解爐自脫硝系統投運前后煙氣測試

圖6 技改前后氨水用量對比

表2 技改后煙氣NOx月平均排放濃度

自脫硝系統投運后，摸索了不同NOx排放指標下對應的氨水用量，當NOx排放濃度控制在≤400mg/m3（標）時，脫硝系統氨水泵在大部分運行工況下可以停用，無需消耗氨水。2018年12月份嘗試將NOx排放濃度控制在100mg/m3（標）左右，該月份單位熟料對應的氨水用量平均為2.16kg/t熟料，在氨水成本不增加的前提下達到潔凈排放的指標。

（3）經濟效益顯著

生產線改造前單位熟料氨水用量為3.12kg/t熟料（2017年年平均值），噸氨水價格約為700元，折算單位熟料對應的氨水成本約2.18元/t熟料。采用分解爐梯度燃燒自脫硝技術改造后，分解爐自脫硝效率超過60%并保持連續穩定運行，在NOx排放指標進一步嚴格控制的條件下，氨水用量也大幅度降低，據統計，2018年5月至12月單位熟料氨水用量平均為0.91kg/t熟料，生產線年熟料產量按130萬噸計，則每年可節約氨水成本=（3.12-0.91）/1 000×700×130=201萬元。除此之外，NOx排放指標嚴格控制后，該生產線煙氣處理排污費用也相應減少。

6 結語

為了進一步降低水泥燒成系統NOx本底濃度，減少脫硝裝置的氨水消耗成本，天津水泥院推出了第二代分解爐分級燃燒技術，即梯度燃燒自脫硝技術。該技術已經在湖北某生產線等多個項目成功應用，脫硝效果均十分顯著。湖北某生產線實施分解爐自脫硝技術改造后，在NOx排放濃度更加嚴格的條件下，脫硝系統氨水用量降低60%以上，最好月份降低87.6%，氨水消耗成本大幅度降低，為企業創造了十分可觀的經濟效益。