劉繼斌 顏新傳 朱精瑞

葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 荊門 448000

4 800 t/d預(yù)分解窯分級燃燒技術(shù)的實(shí)踐

劉繼斌 顏新傳 朱精瑞

葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 荊門 448000

我公司采用分級燃燒技術(shù)改變了分解爐錐體的結(jié)構(gòu)及三次風(fēng)管進(jìn)入分解爐的位置，選用了三通道“變流場分解爐燃燒器”。第一次改造后，效果不理想，繼而對系統(tǒng)再次優(yōu)化。最終，熟料實(shí)物煤耗降低8 kg；提高了熟料強(qiáng)度；礦物發(fā)育良好，A礦形狀規(guī)則，棱角分明，分布較均勻，含量也較多，B礦圓度好，少許明顯雙晶紋現(xiàn)象出現(xiàn)，含量略少，大多延孔洞分布，不均勻，中間體較豐富；NOx排放達(dá)標(biāo)時氨水用量0.7～0.9 m3/h。經(jīng)驗(yàn)：（1）分級燃燒改造不可以過度追求還原區(qū)的還原效果；（2）還原區(qū)與分解區(qū)可以相對分離，減少相互干擾；（3）要注意窯爐用風(fēng)的平衡。

分解爐 分級燃燒 NOx排放 技術(shù)改造

0 引言

我公司4 800 t/d熟料生產(chǎn)線于2009年8月投產(chǎn)，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格Φ4.8 m×74 m，斜度4%，窯速0.4～4 r/min，采用NST1分解爐和RF5/5000五級預(yù)熱器，配置NC4234型第三代冷卻機(jī)。熟料實(shí)際日產(chǎn)量在5 950 t左右，熟料3 d抗壓強(qiáng)度31 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度57.5 MPa，熟料標(biāo)煤耗108 kg，NOx排放800 mg/m3左右。為降低NOx排放， 2014年3月公司實(shí)施了分級燃燒和SNCR脫硝改造。本文就該窯分級燃燒技術(shù)的實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)。

1 分解爐中氮氧化物轉(zhuǎn)化機(jī)理

由于分解爐內(nèi)生料濃度高，生料分解與燃料燃燒耦合同時進(jìn)行，使分解爐內(nèi)流場、濃度場、溫度場、組分(濃度)場的研究非常復(fù)雜。與單純的煤粉燃燒有很大不同，生料對NOx的產(chǎn)生有強(qiáng)力的催化作用。由于NOx在特殊環(huán)境中產(chǎn)生與還原的研究難度大，至今國內(nèi)無此方面研究報導(dǎo)。國際上丹麥FLSmith公司與丹麥工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開展分解爐脫氮機(jī)理研究，研究表明：水泥生產(chǎn)過程中離開分解爐的NOx水平取決于分解爐溫度（特別是初始區(qū)的燃燒溫度）、燃料類型及其內(nèi)包含的揮發(fā)分和氮，以及進(jìn)入分解爐氣體的NOx含量、空氣過剩系數(shù)等，特別是初始燃燒帶的空氣過剩系數(shù)。

水泥熟料燒成過程中，回轉(zhuǎn)窯窯頭使用大約整個系統(tǒng)用煤量的40%，由于工藝的需要，窯頭的火焰溫度高達(dá)1 600～1 750 ℃。在這種溫度下，主要產(chǎn)生熱力型NOx，約 750～1 200 ppm；分解爐中雖然使用了60%的燃料，但是由于煤粉在分解爐內(nèi)呈現(xiàn)無焰燃燒狀態(tài)，正常時不會有高溫火焰產(chǎn)生，分解爐內(nèi)主要產(chǎn)生燃料型NOx，燃料型NOx的生成是由兩種競爭反應(yīng)決定的，即燃料氮的氧化以及燃料型氮氧化物的還原，在不同氧含量情況下分別以氧化和還原為主導(dǎo)。

目前在分解爐采用分級燃燒的技術(shù)就是利用分解爐內(nèi)競爭反應(yīng)的原理，將爐內(nèi)局部氣氛人為向還原主導(dǎo)方向傾斜，實(shí)現(xiàn)分解爐在不增加熱耗的情況下，還原窯內(nèi)生成的NOx，有效降低NOx濃度。

2 分級燃燒技術(shù)的原理和改造方式

2.1 技術(shù)改造的內(nèi)容

為了使現(xiàn)有的分解爐在改動最小的前提下，實(shí)現(xiàn)分解爐的分級燃燒，我們需要將現(xiàn)在的分解爐下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，見圖1，改造后的分解爐下部示意圖見圖2。

改動的內(nèi)容有兩個方面：

（1）改變分解爐錐體的結(jié)構(gòu)，三次風(fēng)管進(jìn)入分解爐的位置改動到柱體部位，使三次風(fēng)管的下表面到窯尾煙室的縮口（窯氣噴出的位置）之間形成一個以窯氣為主的低過剩空氣區(qū)域，改造后的分解爐主視圖和俯視圖分別見圖3、圖4所示。

圖1 分解爐下部結(jié)構(gòu)改造設(shè)計示意圖

圖2 改造后的分解爐下部流場示意圖

圖3 改造后的分解爐主視圖

①改變分解爐結(jié)構(gòu)，直段往下延長1 700 mm，剩余錐部與煙室縮口上方對接。

②三次風(fēng)管入爐由錐部向下切向進(jìn)入，改為抬高3 400 mm到直柱體段水平切向進(jìn)入，同時四級兩列撒料箱位置抬高，撒料箱增加耐熱撒料板。

③改變煙室縮口尺寸，從2 000 mm×2 000 mm擴(kuò)大到2 350 mm× 2 350 mm，面積擴(kuò)大38%。

（2）把現(xiàn)在的簡易型分解爐噴煤管更換為三通道“變流場分解爐燃燒器”（專利產(chǎn)品）。并通過可調(diào)節(jié)分料閥將煤粉分為四個通道，分別喂入三次風(fēng)管的上方和分解爐的錐體部位。

圖4 改造后的分解爐俯視圖

2.2 改造后的工作原理

窯內(nèi)煙氣從窯尾煙室縮口以32 m/s的速度豎直向上噴騰進(jìn)入分解爐椎體部位。在錐底到椎體上平面形成一個由直線上升到旋流的變流區(qū)。這個變流區(qū)主要以含有CO2、NOx為主的1 050 ℃高溫窯尾煙氣形成的低過?？諝鈪^(qū)。在此區(qū)間噴煤管噴入的煤粉，在該區(qū)域被加熱，揮發(fā)份部分開始燃燒，并形成一個穩(wěn)定的有較強(qiáng)的CO濃度的還原區(qū)域，將窯內(nèi)來的含有大量 NOx的氣體中的NOx進(jìn)行還原。加熱后揮發(fā)份開始燃燒的煤粉進(jìn)入到錐體上方的三次風(fēng)進(jìn)入?yún)^(qū)域，三次風(fēng)在此部位以約32 m/s的風(fēng)速旋轉(zhuǎn)進(jìn)入分解爐柱體部位，并形成旋轉(zhuǎn)氣流場。

在旋流區(qū)，氣體的流場呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的旋噴結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的流場。在三次風(fēng)進(jìn)口高度再安裝兩只噴煤管，使從錐部來的未完全燃燒的煤粉和新噴入的煤粉進(jìn)行富氧燃燒。出現(xiàn)旋噴組合形成標(biāo)準(zhǔn)氣體流場后，分解爐內(nèi)的工況會更加穩(wěn)定。由于煤粉在這個部位燃燒過程相對緩慢，因此很少生成燃料型和熱力型NOx。

分解爐噴煤管采用的“變流場分解爐燃燒器”，可以很均勻地將煤粉分散到錐體部位渦流區(qū)的每個層面，使煤粉均勻受熱燃燒，不容易出現(xiàn)因?yàn)槿紵煌耆慕Y(jié)皮等影響系統(tǒng)運(yùn)行的現(xiàn)象。其中噴煤管分為四個位置布置：噴煤管1布置在三次風(fēng)管的上方，使煤粉充分燃燒，穩(wěn)定分解爐的溫度；噴煤管2布置在三次風(fēng)管的旋流氣流的中途，保證煤粉的均勻燃燒；噴煤管3布置在分解爐的錐體，使煤粉燃燒時產(chǎn)生還原氣氛；噴煤管4布置在分解爐的錐體部位，與噴煤管3對稱布置，使煤粉燃燒時產(chǎn)生還原氣氛。

3 改造后生產(chǎn)線調(diào)試情況

（1）熟料強(qiáng)度從3月底開窯至5月中旬，熟料黃心嚴(yán)重，強(qiáng)度偏低。5月下旬至7月中旬，黃心問題得到解決，但熟料強(qiáng)度仍然偏低。3～6月熟料質(zhì)量見表1。

表1 3～6月熟料質(zhì)量

(2) 3月下旬～7月中旬熟料巖相礦物整體發(fā)育較差，孔隙率大，A礦結(jié)晶粗大形狀不規(guī)則，邊棱圓鈍且不光潔，表面有較多包裹體，大多膠結(jié)在一起，分布不均勻，分解和溶蝕現(xiàn)象很普遍；B礦量大圓度差，無雙晶紋，多呈礦巢膠結(jié)型富集，此外中間體含量也較少。7月8日巖相見圖5。

圖5 熟料巖相圖

（3）原因分析：這個階段進(jìn)行了大量的調(diào)整，其中通過調(diào)整三次風(fēng)閥平衡窯爐用風(fēng)、降低煤粉細(xì)度加快燃燒速度，加大高溫風(fēng)機(jī)頻率加強(qiáng)通風(fēng)、調(diào)整加強(qiáng)噴煤管旋流風(fēng)壓風(fēng)量提高火焰強(qiáng)度、以及改變配料降低飽和比和鋁氧率使料子易燒性改善，最終也只是使窯況稍微穩(wěn)定一點(diǎn)，熟料強(qiáng)度提升約1 MPa，熟料質(zhì)量不如改造之前。

調(diào)試過程中對一些參數(shù)的記錄觀察及檢測，我們分析窯爐系統(tǒng)存在以下問題：

①由于過度考慮了錐部的缺氧燃燒產(chǎn)生更好的還原效果，加大窯內(nèi)低氧氣過剩系數(shù)的窯氣進(jìn)入錐部，而加大了分解爐錐部縮口尺寸，結(jié)果導(dǎo)致縮口截面風(fēng)速偏低，噴騰效果變差，窯尾負(fù)壓波動大，判斷存在頻繁的塌料現(xiàn)象。

②入窯生料分解率從95%下降到90%左右，判斷分解爐煤粉燃燒不完全，特別是錐部噴入的煤粉有可能裹挾入生料中隨塌料進(jìn)入窯內(nèi)，造成尾溫高，甚至導(dǎo)致生料過早發(fā)粘結(jié)團(tuán)，燒成難度加大，產(chǎn)生包心為主的黃心料。

③三次風(fēng)入口中途及入口上的兩只噴煤管安裝角度過大，煤粉噴入射流進(jìn)入到還原區(qū)，導(dǎo)致燃燒不完全，石灰石分解率下降，并擾亂錐部流場。

④生料分解率的下降及塌料、窯中生料結(jié)團(tuán)包燒等問題加大了煅燒難度，操作中只有加大頭煤加強(qiáng)煅燒，結(jié)果可能導(dǎo)致窯內(nèi)供氧與煤粉量的匹配失衡，煤粉燃燒不完全，反而助長了窯內(nèi)還原氣氛。

⑤一段篦冷機(jī)幾臺關(guān)鍵風(fēng)機(jī)電流偏低，直接導(dǎo)致窯內(nèi)供風(fēng)不足，判斷可能篦板透風(fēng)性能變差，影響窯內(nèi)氧氣供給。

4 分解爐系統(tǒng)的二次優(yōu)化改造

基于以上分析，我們對系統(tǒng)再次優(yōu)化、改造。內(nèi)容如下：

（1）減小縮口尺寸，由第一次改造時的2 350 mm×2 350 mm調(diào)整為2 100 mm×2 100 mm，如圖6所示。

圖6 煙室縮口尺寸調(diào)整示意圖

（2）調(diào)整上部兩支燃燒器角度，由向下30°調(diào)整為向下10°，并把燃燒器噴嘴對中心，調(diào)整為順著三次風(fēng)旋流的方向。使還原區(qū)與分解區(qū)相對分離，提高預(yù)分解效果，并防止高位燃燒器煤粉噴射過深，且不完全燃燒，在錐部形成結(jié)皮的影響（如圖7所示）。

（3）對篦冷機(jī)進(jìn)行維修，更換固定篦床和一段部分活動篦板，對充氣梁進(jìn)行清理，并對風(fēng)機(jī)進(jìn)行整修維護(hù)，提高效率。

5 操作調(diào)整和優(yōu)化改造后的運(yùn)行狀況

5.1 工藝調(diào)整優(yōu)化

檢修后主要工藝參數(shù)、配料方案在7月初的方案基礎(chǔ)上實(shí)行小幅調(diào)整：

圖7 燃燒器角度調(diào)整示意圖

（1）適度增加三次風(fēng)門開度到68%，平衡窯爐用風(fēng)；

（2）適當(dāng)控制系統(tǒng)總用風(fēng)量，降低高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（降低1 HZ）；

（3）逐步增加下部燃燒器用煤比例，錐部給煤比例逐步增加到55%；

（4）調(diào)整窯頭燃燒器，提高火焰強(qiáng)度，適當(dāng)縮短火焰長度，降低尾溫；

（5）調(diào)整熟料三率值，適當(dāng)提高SM和IM值，略微增加生料耐火度，保證熟料結(jié)粒時間和結(jié)粒尺寸，改善熟料冷卻效果。

5.2 運(yùn)行及質(zhì)量情況

（1）熟料實(shí)物煤耗降低8 kg，達(dá)到140 kg/t；

（2）熟料3 d抗壓強(qiáng)度提高了2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度提高了4 MPa，達(dá)到32.5 MPa和59.0 MPa，7～11月強(qiáng)度見表2。

表2 7～11月熟料質(zhì)量

（3）7月28日熟料巖相見圖8，礦物發(fā)育良好，A礦形狀規(guī)則，棱角分明，分布較均勻，含量也較多，B礦圓度好，少許明顯雙晶紋現(xiàn)象出現(xiàn)，含量略少，大多延孔洞分布，不均勻，中間體較豐富。

圖8 熟料巖相圖

（4）NOx排放達(dá)標(biāo)時氨水用量0.7～0.9 m3/h，氨水用量降低0.3～0.4 m3/h。

6 結(jié)束語

這次分級燃燒技術(shù)改造和調(diào)試從理論和實(shí)踐上進(jìn)行了深度探索，在調(diào)試過程中既要查找因改造產(chǎn)生的技術(shù)問題，也要排查改造以外的工藝因素造成的干擾，最終得到以下經(jīng)驗(yàn)：（1）分級燃燒改造不可以過度追求還原區(qū)的還原效果，而走入破壞窯爐系統(tǒng)固有參數(shù)的誤區(qū)；（2）還原區(qū)與分解區(qū)可以相對分離，減少相互干擾，還原區(qū)負(fù)責(zé)還原窯氣中的氮氧化物，而高位燃燒器則重點(diǎn)保證分解爐溫度和與分解效果，事實(shí)證明分解爐高位燃燒器直接在富氧環(huán)境燃燒對脫硝效果影響極小，二次改造后氨水使用量的下降可以證明這一點(diǎn)；（3）要注意窯爐用風(fēng)的平衡，高位燃燒器用煤的匹配，還原區(qū)用煤過大會導(dǎo)致分解爐壓力和氣流的不穩(wěn)定，嚴(yán)重的會影響到窯內(nèi)燃燒器火焰變化，給煅燒帶來障礙。

2015-09-01）

TQ172.625.3

B

1008-0473(2015)06-0023-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.06.04