燃用高硫無煙煤水泥熟料生產線分級燃燒應用實例

成舒望，桑圣歡，吳濤，羅超，馮京

隨著環保限排指標的日益嚴格，全國重點地區水泥工業NOx排放指標將從320mg/m3（標）降至100mg/m3（標）以下。我國生態環境部2019年7月26日在新聞發布會上透露，擬將全面達到超低排放的企業列為A級，在應對2019年冬季重污染時，A級企業無需采取限產或停產等減排措施。此外，河北、河南、四川等地區已將NOx排放限值降至50mg/m3（標）。

目前，水泥窯的脫硝技術主要有燃料燃燒前脫硝、燃燒中脫硝和燃燒后脫硝三種。分級燃燒作為燃燒中脫硝技術，可以在不消耗外加還原劑的情況下進行脫硝反應，降低NOx排放，降低后續SNCR脫硝壓力，降低脫硝還原劑氨水的使用量。

1 分級燃燒設計

1.1 水泥窯NOx的形成

水泥熟料燒成過程是典型的高溫反應過程，燃料在回轉窯內燃燒產生高溫火焰，隨之生成燃料型、熱力型和快速型NOx。NOx主要是在回轉窯內生成，而NOx的消解任務卻無法全部在窯內完成。通過改進窯用燃燒器，可以在一定程度上抑制NOx的生成，但是，回轉窯內熟料煅燒對火焰溫度、火焰形狀、火焰穩定性的要求很高，在有效降低NOx生成的同時往往會削弱燃燒器的燃燒性能。

分解爐是水泥熟料燒成過程中除了回轉窯以外的另一個高溫設備，需消耗60%左右的燒成所需總熱量。目前主要是通過分解爐的功能結構設計來降低NOx的排放，在限制爐內NOx生成的基礎上，創造適合于回轉窯內產生NOx強還原的環境，還原窯內生成的NOx，進而降低整個燒成系統NOx排放。

1.2 分級燃燒設計情況

分解爐中降低NOx的方法主要是進行燃料低氧燃燒和分級送風。低氮分級燃燒技術實施后，在分解爐錐部高溫區形成強還原氣氛，形成大量的CO、H2、HCN和固定碳等還原劑，將NOx還原為N2，從而減少NOx的排放。

西南某6 000t/d水泥熟料生產線燃燒100%高硫無煙煤，煤的工業分析及元素分析見表1。無煙煤揮發分較低，固定碳含量高，燃燒溫度高，因此，通常采取關小三次風開度，加強窯內通風，加快煤粉燃燒速率等措施，保證煤粉充分燃燒。該生產線使用的高硫無煙煤硫含量2.3%，硫含量較高，容易造成分解爐和煙室結皮嚴重。為降低分解爐及窯尾煙室結皮、堵塞現象發生，可加大分解爐錐部分料，降低分解爐錐部和煙室的溫度，進而減緩結皮和堵塞現象的發生。

表1 煤的工業分析和元素分析

（1）分煤和分料設計

目前該6 000t/d水泥熟料生產線煤粉分級燃燒的設計是將4只煤管的100%煤粉噴在分解爐錐部。分料需要配合分煤的設計，分煤效果以及生產運行的穩定（如結皮、堵塞）與分料設計密切相關，分料設計很關鍵。該生產線分解爐錐部一側進行的分料設計如圖1所示。

圖1 分級燃燒設計示意圖

由于分解爐所有煤粉均在錐部，而分解爐錐部只有一側分料，該生產線在投產運行一段時間后，未分料一側分解爐錐部出現了較嚴重的結皮。為緩解結皮對燒成工況造成的不良影響，分解爐錐部的兩只煤管由最低層位置上移至中間煤管預留位置。改造后，分解爐錐部結皮明顯減緩。

（2）分風設計

如圖1所示，三次風管主風管設計在分解爐直段部分，主三次風入爐設計為切向入爐，窯尾煙室入爐煙氣與三次風的混合減緩，可以創造更大的NOx還原區。此外，增加了脫氮管的內徑，提高了脫氮管的分風比例，在分解爐中部創造了更大的NOx還原區。

2 分級燃燒調試

2.1 分級燃燒調試

（1）根據現場情況，降低高溫風機轉速，將預熱器出口O2含量控制在2%以下。其次，在降低窯尾高溫風機轉速后，逐步增加三次風擋板開度，降低窯內空氣過剩系數，控制窯尾煙室O2含量＜1.0%。

上述操作的目的在于防止跑生料，三次風閥板開度變化不會造成窯內欠氧和產生黃心料等。

（2）根據現場實際運行情況，增加脫氮管閥門開度。調節脫氮管要保證煤粉在分解爐內較充分燃燒，分解爐出口氧含量在2%以內。由于業主擔心脫氮管開度過大對燒成系統造成影響，實際調試過程中脫氮管開度只到30%，未能開至100%。

在上述條件下進行煙室、分解爐錐部（分級燃燒后）、鵝頸管（SNCR脫硝前）、窯尾煙囪處煙氣成分（O2、CO、NOx）及溫度的測定，然后根據測定結果進行分級燃燒結果的分析。

表2 分級燃燒測定數據

2.2 分級燃燒測定結果

分級燃燒數據測定結果見表2。表2中的測定數據是在三次風脫氮管關閉的情況下測量的。測定時，煙室處氧含量均值約為1.69%。分級燃燒后，NOx濃度值測點位置在分解爐錐部的上部，主三次風管以下。SNCR脫硝前NOx濃度值測點位于氨水噴射前鵝頸管處。不噴射氨水時，SNCR前NOx濃度等于煙囪處NOx濃度。

表2中，分級燃燒效率=[（煙室NOx-分級燃燒后NOx）/煙室NOx]×100%。回轉窯產生的NOx均值為 1 314.2mg/m3（標）@10%O2（以下均為@10%O2），分級燃燒后NOx均值為1 105.47mg/m3（標）；分級燃燒效率變化幅度較大，分級燃燒效率最大值為25.43%，平均值16.38%，均方差為8.21%，可知分級燃燒效率數值離散程度較大，分級燃燒效率變化幅度大。

分級燃燒后SNCR脫硝前NOx排放的平均值為1 378.66mg/m3（標），均方差為344.09mg/m3（標），說明該水泥窯產生的NOx濃度變化較大，這與所使用的高硫無煙煤以及燒成工況尤其是窯內通風情況的變化較大有關。水泥窯分解爐出口產生的NOx均值在800mg/m3（標）左右，故該燃用高硫無煙煤的6 000t/d水泥熟料生產線窯系統產生的NOx較高，高于平均值72.33%，造成后續SNCR脫硝壓力較大。為了使分級燃燒效果達到最佳，在不影響熟料質量的前提下，必須嚴格控制回轉窯內通風，控制窯尾煙室O2含量＜1%。

圖2是窯尾停用氨水、喂料量400t/h、煙室氧含量為0.92%、窯尾煙囪氧含量6.29%時，煙囪NOx濃度隨時間變化的曲線。由圖2可知，SNCR氨水停止噴射10min，NOx最高濃度為1 042.1mg/m3（標）。氨水停用時，窯尾煙囪排放的NOx小于SNCR脫硝前NOx測定值的平均值1 378.66mg/m3（標），說明控制煙室氧含量可進一步增大分級燃燒效果，進而降低SNCR脫硝前NOx濃度。

該生產線消耗氨水均值在4.62kg/t熟料，均方差為0.43kg/t熟料，氨水消耗較同規模的熟料生產線（3～4kg/t熟料）大，這與該生產線本身產生的NOx值較大有關。

脫氮管脫硝效果見表3。由表3可知，脫氮管開度由15%增加到30%，在煙囪NOx排放濃度相當的情況下，氨水使用量未減少，說明脫氮管脫硝效果不明顯。由于燒成工況不穩定，脫氮管調試時未能全開。

圖2 氨水停用時NOx濃度變化情況

表3 脫氮管脫硝效果

2.3 脫氮管風速數值模擬

三次風分風比例調試，脫氮管開度30%和100%時脫氮管風速模擬見圖3。由圖3可知，脫氮管開度為30%時，脫氮管風速明顯低于三次風管抱管風速，脫氮管開度100%時，脫氮管風速和三次風管抱管風速基本相等。由此可知，只有脫氮管開度100%時才會有三次風通過脫氮管，在脫氮管和三次風主管間形成還原區。模擬結果也說明脫氮管開度為15%和30%時，基本無三次風通過脫氮管，脫硝效果無差別，這也是目前大多數水泥廠不使用脫氮管的原因之一。

3 結語

通過對西南某燃用高硫無煙煤的6 000t/d水泥熟料生產線分級燃燒運行測試和調試可知，在不分風的情況下，該生產線分級燃燒效率平均值16.38%，SNCR脫硝前NOx初始排放濃度1 378.66mg/m3（標），高于不噴氨水時煙囪處NOx濃度值1 042.1mg/m3（標）。因此，通過工藝參數調整降低煙室氧含量可提高分級燃燒效率，脫氮管全開進行三次風分風，可進一步提高分級燃燒的綜合效率，預計該生產線SNCR脫硝前NOx濃度≯1 000mg/m3（標）。

圖3 脫氮管風速模擬

為了使燃用高硫無煙煤的水泥熟料生產線分級燃燒效果達到最佳，在不影響熟料質量的前提下，必須嚴格控制回轉窯內通風，控制窯尾煙室O2含量＜1%。燃用高硫無煙煤的水泥熟料生產線分級燃燒設計時，為緩解高溫結皮，應注重分煤和分料相結合。本次分風，脫氮管開度15%和30%時，脫硝效果差別不大，在后續燒成系統穩定后將進一步測試脫氮管全開的脫硝效果。