升級改造燃燒器降低氮氧化物排放

逯志軍，劉紅寧，楊利明，石巖

1 前言

我公司回轉窯規格為φ4.2m×66m，設計能力為3 200t/d，實際生產能力4 000t/d左右。窯頭燃燒器采用第三代燃燒器，規格為EPIC-F3085，自2015年開始使用。隨著我國氮氧化物排放標準的日益嚴格，為進一步提高燃燒器性能，穩定熱工制度及窯皮工況，改善熟料結粒，提升熟料質量，降低生產煤耗，經與燃燒器廠家溝通，決定在節約成本的基礎上對原有燃燒器進行技術改造。改造后，燃燒器整體性能提高，達到了降低生產能耗、提高熟料質量、降低氮氧化物排放的目標，實現了低氮燃燒，降低了氨水使用成本及環保成本，取得了良好的經濟效益。

2 技術改造方案

針對原有燃燒器2014年以來的使用情況，2019年年底，公司利用冬季供暖錯峰限產之時，對原有燃燒器進行了升級改造。技術改造方案如下：

（1）燃燒器外風結構及參數暫不做調整，保證火焰剛度及動能參數。

（2）搭配使用原材料中的兩種石灰石。原材料中的石灰石品位低，原材料成分見表1。一種石灰石結晶硅含量高（低鈣低鎂），另一種石灰石MgO含量偏高（高鈣高鎂），二者需搭配使用。

表1 原材料成分，%

（3）優化布局，改造燃燒器內風的結構形式。燃燒器均化設施相對落后，導致煅燒過程中液相容易提前出現且飛砂嚴重。在2015年設計時，考慮將燃燒器燃燒區域盡量控制在窯前，以提高燒成帶煅燒溫度，避免煤粉后燃提前產生液相，影響窯的穩定運行。從近幾年的實際使用情況來看，內風往往是在旋流體出口截面積縮小的情況下才使用。此次改造將增加內風調節方式，采用齒槽型和EPIC型兩種結構相結合，使內風調節區域更廣。齒槽型結構有利于對煤粉進行徑向切割及混合，使燃燒區域的煤粉分布更均勻，溫度場更合理，且外風風速高，火焰剛度強，風速差大（外風風速280～320m/s，煤風25m/s，內風220m/s），二次風與煤粉混合效率更高。EPIC型結構在齒槽結構內部，尺寸較原有燃燒器小，增大其出口面積，可保證燃燒器整體動能參數，減小徑向擴散尺寸，避免煤粉燃燒過于集中以及燒成帶核區溫度過高。

（4）兩組內風結構交替使用。通過閥門切換，可實現在線調節，相當于一臺燃燒器同時具備兩種設計思路，有利于找到最優化的使用方法。

結合燃燒器廠家改造思路，我公司在拆除燃燒器澆注料后，聯系廠家對現有燃燒器進行了返廠升級改造和維修維護。

將原來的四通道改造為五通道，燃燒器類型為拉法基型和EPIC型兩種形式結合使用，拉法基型為外直流風+齒槽旋流風（1+3），EPIC型為外直流風+間隙旋流風（1+4），1、2、3、4分別為燃燒器通道序號。同時，結合煤質情況、熟料質量情況、窯內溫度熱力分布情況及筒體溫度分布情況對內風截面積及角度進行調整。燃燒器升級改造前后的參數對比見表2，燃燒器升級改造前后樣式見圖1、圖2。

3 技改實施效果

受疫情影響，2020年3月底，對燃燒器升級改造后返廠，2020年6月，利用山東區域錯峰限產期間，進行安裝調試并投入使用，改造后燃燒器的組合方式見表3。

表2 燃燒器升級改造前后的參數對比

圖1 燃燒器改造前的樣式圖

圖2 燃燒器升級改造后的樣式圖

表3 改造后燃燒器的組合方式

表4 改造前后氨水使用量及控制指標對比

圖3 升級改造前筒體溫度熱力分布變化（時間5月15日）

實驗過程中，我公司采用的是“外直流風+齒槽旋流風（1+3）”的組合方式進行生產運行，外直流風使用壓強在50～55kPa，開度100%，齒槽旋流風使用壓強在20～25kPa，開度30%～50%。改造前后氨水使用量及控制指標對比見表4。

由表4可以看出，2019年氮氧化物控制值為200mg/m3，實際折算平均值為176.0mg/m3，噸熟料氨水用量為3.63kg。隨著環保要求的日益嚴格，2020年氮氧化物控制標準調整為≤100mg/m3，在不進行升級改造的情況下，噸熟料氨水用量為5.87kg，折合小時流量為1 057.4L。在工藝狀況異常時很容易出現單點小時超標現象，且噸熟料氨水成本及環保成本大幅上升。

圖4 升級改造后筒體溫度熱力分布變化（時間6月21日）

對燃燒器進行升級改造后，2020年6～7月的噸熟料氨水用量為4.05kg。從經濟效益分析看，在相同氮氧化物控制排放條件下，噸熟料氨水用量降低1.82kg。目前我公司氨水采購無稅單價為630元/t，2020年年產熟料76萬噸，年創效益額為76萬噸×1.82kg/t×1 000×630元/噸=87.141 6萬元，效益可觀且解決了工藝狀況異常時易出現單點小時超標的問題，降低了環保壓力。

燃燒器升級改造前后，筒體溫度熱力分布變化情況見圖3、圖4。對比升級改造前后筒體溫度熱力分布情況可見，火焰集中度略有降低，過渡帶溫度略有上升。由于該燃燒器風壓大，燒成系統煅燒效果未受影響，火焰集中度更加合理，減少了短焰急燒帶來的熟料中存在還原料的質量問題，熟料結粒及發育情況也更加完好。

4 結語

通過改造EPIC-F3085型燃燒器內風結構形式，優化其燃燒火焰形狀及在窯內的布局，在不影響熟料煅燒質量基礎上，加強了對煤粉的切割能力，可以實現低氮燃燒，同時，降低了氨水使用成本及環保成本，取得了良好經濟效益。