在線型梯度燃燒分解爐及其配套燃燒器的開發(fā)與應(yīng)用

陳昌華，彭學(xué)平，俞為民，金周政，鄭成航

1 前言

隨著我國電力、鋼鐵等行業(yè)全面實施超低排放政策，水泥工業(yè)已成為工業(yè)窯爐煙氣中氮氧化物等大氣污染物的重要排放源[1]。GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》中規(guī)定，窯尾煙囪NOX排放限值≤320mg/m3，京津冀地區(qū)及河南省、山東省、浙江省等多地提出NOX排放濃度須≤100mg/m3，部分地區(qū)要求≤50mg/m3。在水泥行業(yè)NOX排放指標日趨嚴格的背景下，開發(fā)基于源頭減排的低成本NOX深度治理技術(shù)，減少有害氣體排放及減少對生態(tài)環(huán)境的負面影響，已成為水泥工業(yè)發(fā)展的迫切需求。相比于火電、鋼鐵等行業(yè)，水泥窯爐煙氣工況不穩(wěn)定，粉塵濃度大，堿性氧化物含量高，催化劑易中毒，導(dǎo)致煙氣治理的技術(shù)難度更大。

目前，國內(nèi)外水泥行業(yè)大多采用選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)或選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)。采用SNCR 脫硝技術(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)NOX減排＞70%，但存在氨逃逸現(xiàn)象，易造成大氣二次污染、氨水浪費大、運行成本高等問題。采用SCR 脫硝技術(shù)可提升NOX減排效率，實現(xiàn)NOX超低排放指標，但一次性投資和運行成本高，燒成系統(tǒng)電耗增加，不利于熟料生產(chǎn)全過程的節(jié)能降耗和碳減排。天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱：天津水泥院）將節(jié)能減排技術(shù)與先進燒成技術(shù)深度融合，研發(fā)了在線型梯度燃燒自脫硝分解爐及配套旋流分散燃燒器等裝備，大幅降低了NOX本底濃度，提升了源頭減排效率，降低了NOX治理成本。

2 水泥窯爐煙氣NOX的生成機理

水泥窯爐為高溫燃燒設(shè)備，普通硅酸鹽水泥熟料在窯爐內(nèi)的煅燒溫度高達1 400℃～1 450℃，燃料在燃燒過程中不可避免地會產(chǎn)生NOX。在水泥燒成過程中，回轉(zhuǎn)窯和分解爐是主要燃燒設(shè)備，也是煙氣NOX生成的主要部位[2]。水泥窯爐煙氣NOX的生成部位示意見圖1。燃料燃燒過程中形成的NOX主要可分為三種類型：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(yīng)過程中形成的中間產(chǎn)物和N2反應(yīng)形成的快速型NOX。

圖1 水泥窯爐煙氣NOX的生成部位

2.1 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOX的生成機理

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒火焰最高溫度一般可達1 800℃～2 000℃，燃燒生成的NOX中，熱力型NOX占主導(dǎo)，根據(jù)窯內(nèi)煅燒溫度的高低，出窯煙氣中的NOX濃度一般為500～1 500ppm。熱力型NOX的生成速度主要受燃燒溫度的影響，其生成量與溫度呈指數(shù)相關(guān)。前蘇聯(lián)科學(xué)家Zeldovich 提出了熱力型NOX的生成速度表達式：

式中：

[NO]——NO的濃度，gmol/cm3

[N2]——N2的濃度，gmol/cm3

[O2]——O2的濃度，gmol/cm3

t——時間，s

R——通用氣體常數(shù)，J/（gmol·K）

T——絕對溫度，K

根據(jù)式（1）可知，當(dāng)燃燒溫度＜1 500℃時，熱力型NOX很少；燃燒溫度＞1 500℃后，溫度每提高100℃，熱力型NOX的生成量增加3～4倍。

2.2 分解爐內(nèi)燃料型NOX的生成機理

分解爐內(nèi)燃料約占燒成系統(tǒng)總?cè)剂狭康?0%，燃燒溫度一般為900℃～1 100℃，分解爐內(nèi)燃料型NOX占主體，熱力型NOX的生成量可忽略不計。燃料型NOX的生成主要與燃料中N 的含量和燃燒氣氛相關(guān)，當(dāng)燃料中的N 含量高時，燃料型NOX的生成量往往較高。在燃燒過程中，燃料N 先轉(zhuǎn)換為CN 基或NH3基，再反應(yīng)生成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易生成N2。

3 在線型梯度燃燒自脫硝分解爐的開發(fā)

3.1 傳統(tǒng)自脫硝技術(shù)工作原理

傳統(tǒng)自脫硝技術(shù)一般是指在燃燒過程中不摻加脫硝還原劑，通過控制燃料燃燒特性參數(shù)，利用燃燒過程中形成的中間產(chǎn)物抑制NOX生成的脫硝技術(shù)。傳統(tǒng)的自脫硝技術(shù)包括空氣分級燃燒自脫硝技術(shù)和燃料分級燃燒自脫硝技術(shù)。

（1）空氣分級燃燒自脫硝技術(shù)是在分解爐內(nèi)分級喂入三次風(fēng)，在分解爐柱段形成貧氧燃燒區(qū)域，抑制分解爐燃料自身燃燒產(chǎn)生的NOX，但貧氧燃燒區(qū)過氧系數(shù)較高，整體脫硝效果欠佳。

（2）燃料分級燃燒自脫硝技術(shù)是在分解爐內(nèi)分級喂入燃料，在分解爐錐部形成貧氧燃燒區(qū)域，降低出回轉(zhuǎn)窯煙氣中的NOX，但降幅較小，一般僅為30%～40%。燃料分級燃燒自脫硝技術(shù)限制脫硝效率提升的主要原因是分解爐設(shè)備空間有限，脫硝反應(yīng)停留時間較短，脫硝反應(yīng)時間不足且難以抑制分解爐燃料自身燃燒產(chǎn)生的NOX。

3.2 在線型梯度燃燒自脫硝分解爐的開發(fā)

分解爐結(jié)構(gòu)靈活、易于調(diào)節(jié)，是降低水泥窯系統(tǒng)NOX排放濃度的關(guān)鍵部位。天津水泥院基于梯度燃燒技術(shù)，開發(fā)了一種在線型梯度燃燒自脫硝分解爐[2,3]，利用入爐燃料燃燒過程中產(chǎn)生的還原性中間產(chǎn)物（主要為CO、H2、烴基等[4]），還原或抑制回轉(zhuǎn)窯和分解爐內(nèi)燃燒形成的NOX，在保證燃料燃燼的前提下，減少了出爐煙氣中的NOX，達到了燃燒過程中的自脫硝效果。

梯度燃燒分解爐爐膛空間按過剩空氣系數(shù)由小到大依次劃分為強貧氧區(qū)、弱貧氧區(qū)、燃燼區(qū)三個功能區(qū)，功能分區(qū)后，采用多級喂料的方式調(diào)控三次風(fēng)、煤粉、物料配比，建立了“強貧氧還原區(qū)-弱貧氧還原區(qū)-燃燼區(qū)”梯度燃燒環(huán)境。分解爐梯度燃燒脫硝示意見圖2。

圖2 分解爐梯度燃燒脫硝示意

強貧氧區(qū)：三次風(fēng)管以下的部位，過剩空氣系數(shù)≤0.5，為強還原氣氛，出窯熱力型NOX大部分在此區(qū)域還原。

弱貧氧區(qū)：三次風(fēng)管與脫硝風(fēng)管之間的區(qū)域，過剩空氣系數(shù)0.5～1.0，為弱還原氣氛，在此區(qū)域分解爐內(nèi)燃料型NOX被抑制生成或被還原。

燃燼區(qū)：脫硝風(fēng)管以上的區(qū)域，過剩空氣系數(shù)＞1.0，燃料在此區(qū)域充分燃燼。

在強貧氧區(qū)和弱貧氧區(qū)中，分解爐中的焦炭和CO 作為還原介質(zhì)起到脫硝作用，生料分解生成的CaO 對NO 有催化還原作用，反應(yīng)過程如式（2）所示：

其反應(yīng)速率如式（3）所示：

式中：

ρg——氣體密度，g/cm3

YNO——氣體中NO的質(zhì)量分數(shù)，%

YCO——氣體中CO的質(zhì)量分數(shù)，%

Tg——反應(yīng)溫度，K

還原區(qū)中的還原介質(zhì)CO 濃度、反應(yīng)溫度Tg對脫硝反應(yīng)起到關(guān)鍵作用。

4 帶旋流裝置的脫硝燃燒器的設(shè)計開發(fā)

在分解爐自脫硝技術(shù)中，煤粉在貧氧區(qū)的分散效果是影響分解爐自脫硝效率的重要因素。傳統(tǒng)單通道燃燒器無導(dǎo)流擴散葉片，煤粉在貧氧還原區(qū)不能被快速分散，導(dǎo)致燃燒中間產(chǎn)物CO 和煙氣中的NOX難以完全接觸，降低了脫硝反應(yīng)效率。多通道燃燒器作用時，風(fēng)煤混合由管內(nèi)移到了管外，雖然多通道燃燒器有旋流器，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)環(huán)形射流[5]，但采用多通道燃燒器，勢必會增加一次風(fēng)用量，不利于節(jié)能降耗。因此，在單通道燃燒器的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了一種帶導(dǎo)流擴散葉片（旋流葉片）的分解爐脫硝燃燒器，通過控制旋流強度提高煤粉分散性。

4.1 CFD仿真模擬計算

燃燒器旋流度可用式（4）表達：

式中：

Gα——自由射流角動量通量，kg·m/s

Gβ——軸向推力，即，軸向動量通量，kg·m/s

Rw——螺旋葉片的半徑，mm

為了獲得關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，通過計算機CFD仿真模擬了分解爐內(nèi)流場分布，研究了燃料在分解爐強貧氧還原區(qū)內(nèi)不同分散狀態(tài)下的自脫硝效率，對不同噴射風(fēng)速、旋流角度、氣流方向條件下的脫硝燃燒器進行了仿真模擬計算。圖3、圖4分別為不帶導(dǎo)流擴散葉片及帶導(dǎo)流擴散葉片的燃燒器燃料運動分布。由圖3、圖4 可知，無導(dǎo)流擴散葉片時，下層煤粉在運動中存在明顯對撞現(xiàn)象；有導(dǎo)流擴散葉片時，煤粉在運動中擴散，無對撞現(xiàn)象。

圖3 不帶導(dǎo)流擴散葉片的燃燒器燃料運動分布

圖4 帶導(dǎo)流擴散葉片的燃燒器燃料運動分布

4.2 旋流裝置開發(fā)

在CFD仿真模擬計算的基礎(chǔ)上，為進一步提高煤粉在自脫硝分解爐貧氧還原區(qū)的分散性，促進貧氧區(qū)脫硝反應(yīng)進度，提升自脫硝效率，解決煤粉顆粒對燃燒器的沖刷磨損，以及局部阻力導(dǎo)致風(fēng)機電耗增加等問題，天津水泥院開發(fā)了一種帶導(dǎo)流擴散葉片（旋流葉片）的分解爐脫硝燃燒器[6]。該燃燒器在外管內(nèi)部設(shè)有直流葉片、旋流葉片、導(dǎo)流錐和中心管，其中，導(dǎo)流錐位于旋流葉片和中心管道之前，中心管道位于旋流葉片內(nèi)部。旋流葉片與導(dǎo)流錐相配合，以減小煤粉慣性沖擊力對旋流葉片的磨損。煤風(fēng)攜帶煤粉進入燃燒器后，在導(dǎo)流錐的配合作用下，流場相對均勻，燃燒器的阻力損失可降低2 000Pa以上。優(yōu)化燃燒器氣流變向初始階段的流場后，煤粉對旋流葉片的沖擊力受力面積增加3倍以上，應(yīng)力強度減小，有效降低了旋流葉片的磨損。

優(yōu)化配套裝備，燃燒器頭部與柱體管道分別制造，頭部采用整體鑄造形式，并使用耐磨性更好的合金材料，耐熱鋼和澆注料層結(jié)合成型，大幅度提升了燃燒器頭部結(jié)構(gòu)內(nèi)的耐磨性能，具有優(yōu)異的旋流作用及抗磨損、耐高溫性能，進一步延長了燃燒器使用壽命，確保燃燒器旋流裝置平穩(wěn)、可靠運行。

5 工程應(yīng)用

滕州東郭水泥6 000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線由天津水泥院總承包，于2021 年7 月點火投料。該生產(chǎn)線采用了天津水泥院自主研發(fā)的在線型梯度燃燒自脫硝分解爐，是繼湖北京蘭、蕪湖南方、槐坎南方、南陽中聯(lián)等水泥工程項目自脫硝技術(shù)成功應(yīng)用后的再次升級，圖5為梯度燃燒自脫硝技術(shù)在滕州東郭項目的應(yīng)用。

圖5 梯度燃燒自脫硝技術(shù)在滕州東郭項目的應(yīng)用

生產(chǎn)線投產(chǎn)后，梯度燃燒自脫硝技術(shù)使用效果良好，自脫硝效率＞70%，分解爐出口NOX排放濃度≤260mg/Nm3，煙囪NOX排放濃度為30～50mg/Nm3。在實現(xiàn)超低排放指標的同時，單位熟料氨水用量＜2.5kg/t 熟料，脫硝成本相對該地區(qū)同類生產(chǎn)線下降60%以上。脫硝系統(tǒng)整體運行狀態(tài)良好，預(yù)熱器出口溫度＜250℃，壓力＜5 000Pa，廢氣帶走熱損失進一步下降，標煤耗＜93kg/t，表明分解爐內(nèi)煤粉燃燒狀態(tài)良好，在深度自脫硝的同時，煤粉充分燃燼。

6 結(jié)語

基于帶導(dǎo)流擴散葉片的旋流分散脫硝燃燒器開發(fā)的梯度燃燒自脫硝分解爐技術(shù)，將燒成技術(shù)與環(huán)保要求進行了深度融合，實現(xiàn)了水泥窯爐系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的NOX自減排，降低了出窯尾煙氣NOX的本底濃度，大幅減少了水泥行業(yè)煙氣脫硝消耗的氨基還原劑（氨水或尿素），減少了還原劑制備過程中的二次污染，降低了水泥企業(yè)環(huán)保治理成本，創(chuàng)造了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。