水泥窯窯尾煙氣脫硝降氮改造

韓戰(zhàn)義，王繼升，王軍梅，劉清元，獨傳新（中材株洲水泥有限責(zé)任公司，湖南株洲412000）

0 前言

中材株洲水泥有限責(zé)任公司5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線由中材國際工程股份有限公司（南京）設(shè)計，2008年建成投產(chǎn)，為達(dá)到生態(tài)環(huán)保控制目標(biāo)，公司于2012年配套建設(shè)SNCR脫硝系統(tǒng)，采用濃度20%的氨水對水泥窯內(nèi)形成的NOx進(jìn)行脫除。采用SN?CR脫硝具有系統(tǒng)簡單、投資少、對窯爐系統(tǒng)影響小、系統(tǒng)占地面積小等優(yōu)點，但由于SNCR脫硝效率不高，因此氨水用量較大，2019年我公司氨水用量70126t，單位熟料增加成本3.16元/t，同時，大量的氨水噴入造成分解爐內(nèi)結(jié)皮、系統(tǒng)煤耗高、設(shè)備內(nèi)部腐蝕等問題。為降低生產(chǎn)成本，2020年大修期間，公司組織實施了脫硝降氮技術(shù)改造。

1 技改思路

水泥窯爐內(nèi)生成的NOx主要為熱力型NOx和燃料型NOx，熱力型NOx為燃燒空氣中的N2在1500℃以上的高溫下氧化生成，燃料型NOx為燃料中含有的氮化物在燃燒過程中氧化而生成，這兩種NOx均伴隨燃燒過程產(chǎn)生，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫區(qū)溫度在1500℃以上，而分解爐內(nèi)溫度通常在1000℃以下，可見NOx主要來源于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，結(jié)合NOx生成特點和主要來源，其控制技術(shù)大體可分為燃燒前控制、燃燒過程控制和燃燒后控制。燃燒前控制主要方法為控制燃料中的N含量，但目前該技術(shù)尚未得到較好開發(fā)；燃燒過程控制主要方法為分級燃燒、低氧燃燒；燃燒后控制主要方法為SCR、SNCR。總體而言，燃燒前控制和燃燒后控制需增加設(shè)備，投資大且增加運(yùn)營成本，而燃燒過程控制方法是從優(yōu)化燃燒的角度出發(fā)，因此僅需對現(xiàn)有設(shè)備改造，不增加日常運(yùn)營成本。

為降低氨水用量，節(jié)約生產(chǎn)運(yùn)營成本，我公司結(jié)合分級燃燒、低氧燃燒兩種方式進(jìn)行了脫硝改造，改造主要由窯尾燃燒器改造、三次風(fēng)管改造、4級下料管改造、窯頭燃燒器改造四部分組成。

2 技改方案

2.1 窯尾燃燒器改造

分級燃燒是通過對分解爐局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在分解爐內(nèi)形成一個還原區(qū)，利用煤粉在缺氧狀況下產(chǎn)生的CO、C-H化合物等還原物質(zhì)與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)生成的NOx發(fā)生還原反應(yīng)，從而達(dá)到脫硝的目的。我公司采用分煤的分級燃燒方式進(jìn)行脫硝改造，即在煙室縮口上方增加4根脫硝燃燒器，對稱分布，原分解爐錐體位置的2根窯尾燃燒器與三次風(fēng)管相對位置保持不變，但隨三次風(fēng)管一同上移，由于煙室縮口氣體為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉與空氣燃燒后產(chǎn)生的煙氣，氧含量通常在1%～2%左右，因此在煙室縮口增加4根脫硝燃燒器，煤粉從縮口喂入后，在缺氧狀況下，難以充分燃燒，產(chǎn)生大量CO、C-H化合物對NOx進(jìn)行還原。

圖1 脫硝降氮改造現(xiàn)場圖

2.2 三次風(fēng)管改造

我公司三次風(fēng)管與分解爐連接位置位于分解爐錐體部分，雖切向進(jìn)入分解爐，但向下（即煙室方向）傾斜約15°。分煤改造前，2根窯尾燃燒器位于三次風(fēng)管上方300 mm，分級改造后在煙室縮口上方新增了4根窯尾燃燒器，由于三次風(fēng)管向下傾斜約15°，這種入爐方式導(dǎo)致煙室縮口煤粉在缺氧狀況下生成的CO與氧含量21%左右的三次風(fēng)提前相遇，相當(dāng)于縮短了NOx在還原區(qū)的停留時間。為確保脫硝效果，延長NOx在還原區(qū)的停留時間，公司對三次風(fēng)管進(jìn)行了改造，改造內(nèi)容為：將三次風(fēng)管從窯尾平臺處開始抬高，三次風(fēng)管入爐位置由分解爐錐部改為分解爐直筒與錐體連接處，入爐位置提高1800mm，三次風(fēng)切向垂直進(jìn)入分解爐，由于三次風(fēng)管改造后，2根窯尾燃燒器位于三次風(fēng)入爐區(qū)域，如果使用該煤管，易造成局部高溫結(jié)皮，因此，2根窯尾燃燒器同時上移1800mm。

2.3 四級下料管改造

窯尾燃燒器改造后，尾煤基本全部由煙室縮口上方喂入，必然導(dǎo)致縮口和分解爐錐部溫度上升，若沒有生料在此處吸熱發(fā)生分解反應(yīng)，將造成縮口和分解爐錐部結(jié)皮，對系統(tǒng)產(chǎn)量和質(zhì)量造成影響。因此我們對四級下料管進(jìn)行了改造：我公司四級下料管共4根，對稱分布于分解爐中部，無法達(dá)到降低分解爐錐部溫度的目的，因此窯尾燃燒器改造后，在分解爐錐體新增2根四級下料管，一個分料閥，2根下料管對稱分布，位與煙室縮口燃燒器上方1500mm，分料閥開度根據(jù)分解爐下部溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制在900～950℃，避免縮口和分解爐錐部局部高溫。

2.4 窯頭燃燒器改造

低氧燃燒是通過降低煤粉燃燒的過剩空氣系數(shù)，進(jìn)而降低燃料周圍氧濃度，達(dá)到降低燃燒溫度峰值減少熱力型NOx生成的目的。改造前我公司窯頭燃燒器為DBC-220-550-8型燃燒器，這種燃燒器的特點主要體現(xiàn)在高一次風(fēng)量、低一次風(fēng)壓，窯頭配備ARF-295型一次風(fēng)機(jī)，風(fēng)量145.83 m3/min，風(fēng)壓29.40kPa，雖有利于形成穩(wěn)定的火焰，對煤質(zhì)的適應(yīng)性較強(qiáng)，但大量低溫的一次風(fēng)進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，不僅造成熱耗上升，也會增加熱力型NOx生成量。為降低煤耗，減少NOx生成量，公司對窯頭燃燒器進(jìn)行了技改，采用DJGX-5000T/D-T型低氮燃燒器替換原燃燒器，同時采用YG150磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)替換羅茨風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)量90m3/min，風(fēng)壓72kPa。改造前后一次風(fēng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 改造前后一次風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

3 改造后的效果

通過采用分級燃燒和低氧燃燒兩種方法對窯尾燃燒器、三次風(fēng)管、四級下料管、窯頭燃燒器進(jìn)行脫硝降氮改造后，我公司脫硝氨水用量明顯降低，改造前我公司氨水用量約850 t/月，改造后我公司氨水用量約352 t/月，脫硝降氮改造后氨水用量降低約498 t/月，氨水按800元/t計算，預(yù)計每年可節(jié)約成本約398.4萬元。我公司脫硝降氮改造總投資約300萬元，一年內(nèi)可收回成本，投資回報率高，氨水用量降低相當(dāng)于減少了進(jìn)入分解爐的水分，因此氨水用量的減少有利于降低煤耗。同時考慮到SNCR脫硝效率普遍較低，氨逃逸量較大，不僅會造成管道和設(shè)備殼體腐蝕還會污染環(huán)境，因此，減少氨水用量還能起到保護(hù)管道、設(shè)備殼體和生態(tài)環(huán)境的作用。

綜上，我公司脫硝降氮改造有利于降低生產(chǎn)運(yùn)營成本，保護(hù)管道和設(shè)備殼體，改善生態(tài)環(huán)境，是值得在水泥行業(yè)推廣的一項技術(shù)改造。