劉繼斌 顏新傳 朱精瑞

葛洲壩集團水泥有限公司，湖北 荊門 448000

4 800 t/d預分解窯分級燃燒技術的實踐

劉繼斌 顏新傳 朱精瑞

葛洲壩集團水泥有限公司，湖北 荊門 448000

我公司采用分級燃燒技術改變了分解爐錐體的結構及三次風管進入分解爐的位置，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，熟料實物煤耗降低8 kg；提高了熟料強度；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，少許明顯雙晶紋現象出現，含量略少，大多延孔洞分布，不均勻，中間體較豐富；NOx排放達標時氨水用量0.7～0.9 m3/h。經驗：（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）要注意窯爐用風的平衡。

分解爐 分級燃燒 NOx排放 技術改造

0 引言

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

1 分解爐中氮氧化物轉化機理

由于分解爐內生料濃度高，生料分解與燃料燃燒耦合同時進行，使分解爐內流場、濃度場、溫度場、組分(濃度)場的研究非常復雜。與單純的煤粉燃燒有很大不同，生料對NOx的產生有強力的催化作用。由于NOx在特殊環(huán)境中產生與還原的研究難度大，至今國內無此方面研究報導。國際上丹麥FLSmith公司與丹麥工業(yè)大學聯合開展分解爐脫氮機理研究，研究表明：水泥生產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）、燃料類型及其內包含的揮發(fā)分和氮，以及進入分解爐氣體的NOx含量、空氣過剩系數等，特別是初始燃燒帶的空氣過剩系數。

水泥熟料燒成過程中，回轉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1 600～1 750 ℃。在這種溫度下，主要產生熱力型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呈現無焰燃燒狀態(tài)，正常時不會有高溫火焰產生，分解爐內主要產生燃料型NOx，燃料型NOx的生成是由兩種競爭反應決定的，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。

目前在分解爐采用分級燃燒的技術就是利用分解爐內競爭反應的原理，將爐內局部氣氛人為向還原主導方向傾斜，實現分解爐在不增加熱耗的情況下，還原窯內生成的NOx，有效降低NOx濃度。

2 分級燃燒技術的原理和改造方式

2.1 技術改造的內容

為了使現有的分解爐在改動最小的前提下，實現分解爐的分級燃燒，我們需要將現在的分解爐下部結構進行改造，見圖1，改造后的分解爐下部示意圖見圖2。

改動的內容有兩個方面：

（1）改變分解爐錐體的結構，三次風管進入分解爐的位置改動到柱體部位，使三次風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?？諝鈪^(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 分解爐下部結構改造設計示意圖

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改變分解爐結構，直段往下延長1 700 mm，剩余錐部與煙室縮口上方對接。

②三次風管入爐由錐部向下切向進入，改為抬高3 400 mm到直柱體段水平切向進入，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擴大到2 350 mm× 2 350 mm，面積擴大38%。

（2）把現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”（專利產品）。并通過可調節(jié)分料閥將煤粉分為四個通道，分別喂入三次風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

窯內煙氣從窯尾煙室縮口以32 m/s的速度豎直向上噴騰進入分解爐椎體部位。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)定的有較強的CO濃度的還原區(qū)域，將窯內來的含有大量 NOx的氣體中的NOx進行還原。加熱后揮發(fā)份開始燃燒的煤粉進入到錐體上方的三次風進入區(qū)域，三次風在此部位以約32 m/s的風速旋轉進入分解爐柱體部位，并形成旋轉氣流場。

在旋流區(qū)，氣體的流場呈現出標準的旋噴結合的標準穩(wěn)定的流場。在三次風進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行富氧燃燒。出現旋噴組合形成標準氣體流場后，分解爐內的工況會更加穩(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，不容易出現因為燃燒不完全的結皮等影響系統(tǒng)運行的現象。其中噴煤管分為四個位置布置：噴煤管1布置在三次風管的上方，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，使煤粉燃燒時產生還原氣氛。

3 改造后生產線調試情況

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

表1 3～6月熟料質量

(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，大多膠結在一起，分布不均勻，分解和溶蝕現象很普遍；B礦量大圓度差，無雙晶紋，多呈礦巢膠結型富集，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：這個階段進行了大量的調整，其中通過調整三次風閥平衡窯爐用風、降低煤粉細度加快燃燒速度，加大高溫風機頻率加強通風、調整加強噴煤管旋流風壓風量提高火焰強度、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，熟料強度提升約1 MPa，熟料質量不如改造之前。

調試過程中對一些參數的記錄觀察及檢測，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生更好的還原效果，加大窯內低氧氣過剩系數的窯氣進入錐部，而加大了分解爐錐部縮口尺寸，結果導致縮口截面風速偏低，噴騰效果變差，窯尾負壓波動大，判斷存在頻繁的塌料現象。

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入窯內，造成尾溫高，甚至導致生料過早發(fā)粘結團，燒成難度加大，產生包心為主的黃心料。

③三次風入口中途及入口上的兩只噴煤管安裝角度過大，煤粉噴入射流進入到還原區(qū)，導致燃燒不完全，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、窯中生料結團包燒等問題加大了煅燒難度，操作中只有加大頭煤加強煅燒，結果可能導致窯內供氧與煤粉量的匹配失衡，煤粉燃燒不完全，反而助長了窯內還原氣氛。

⑤一段篦冷機幾臺關鍵風機電流偏低，直接導致窯內供風不足，判斷可能篦板透風性能變差，影響窯內氧氣供給。

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調整為2 100 mm×2 100 mm，如圖6所示。

圖6 煙室縮口尺寸調整示意圖

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

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

5 操作調整和優(yōu)化改造后的運行狀況

5.1 工藝調整優(yōu)化

檢修后主要工藝參數、配料方案在7月初的方案基礎上實行小幅調整：

圖7 燃燒器角度調整示意圖

（1）適度增加三次風門開度到68%，平衡窯爐用風；

（2）適當控制系統(tǒng)總用風量，降低高溫風機轉速（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）調整窯頭燃燒器，提高火焰強度，適當縮短火焰長度，降低尾溫；

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

5.2 運行及質量情況

（1）熟料實物煤耗降低8 kg，達到140 kg/t；

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

表2 7～11月熟料質量

（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，少許明顯雙晶紋現象出現，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排放達標時氨水用量0.7～0.9 m3/h，氨水用量降低0.3～0.4 m3/h。

6 結束語

這次分級燃燒技術改造和調試從理論和實踐上進行了深度探索，在調試過程中既要查找因改造產生的技術問題，也要排查改造以外的工藝因素造成的干擾，最終得到以下經驗：（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)負責還原窯氣中的氮氧化物，而高位燃燒器則重點保證分解爐溫度和與分解效果，事實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；（3）要注意窯爐用風的平衡，高位燃燒器用煤的匹配，還原區(qū)用煤過大會導致分解爐壓力和氣流的不穩(wěn)定，嚴重的會影響到窯內燃燒器火焰變化，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