姚 遠(yuǎn)，魏小林,2，陳立新，李 森,2，譚厚章

(1.中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.北京漢能清源科技有限公司，北京 100070；4.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

工業(yè)爐窯是冶金、建材、化工、石化等流程工業(yè)中的重要用能裝備，也是化石能源消耗和環(huán)境污染的主要源頭。為了打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，亟需研發(fā)工業(yè)爐窯高能效低排放關(guān)鍵技術(shù)。水泥爐窯是水泥行業(yè)核心的燃煤煅燒裝備，2019年我國(guó)水泥產(chǎn)量達(dá)到23.5億t，年耗煤量2億t左右。水泥爐窯屬于典型的應(yīng)用廣泛、高能耗高污染的工業(yè)爐窯，是工業(yè)爐窯節(jié)能減排技術(shù)革新的重要領(lǐng)域。研發(fā)水泥爐窯節(jié)能減排的共性關(guān)鍵技術(shù)并開展工業(yè)示范，可以為我國(guó)工業(yè)爐窯高能效低排放技術(shù)應(yīng)用提供方向、途徑和技術(shù)支撐。

經(jīng)過(guò)近40年發(fā)展，我國(guó)的水泥爐窯技術(shù)基本形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)。但與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)相比，仍存在一定差距，不能滿足水泥廠應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)苛的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)整廠節(jié)能減排的綜合性需求，為水泥行業(yè)的高效清潔燃燒技術(shù)和產(chǎn)業(yè)裝備升級(jí)換代提供了巨大的機(jī)會(huì)。從水泥生產(chǎn)工藝的技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，新型工業(yè)爐窯正朝著與成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的方向發(fā)展[1]。實(shí)施水泥爐窯物質(zhì)流與能量流匹配的節(jié)能管控平臺(tái)可以精準(zhǔn)調(diào)控煤等燃料、生料以及配合料等的供應(yīng)量，降低熟料綜合能耗，提高余熱利用率，有效降低成本。采用智能化工廠的思維模式是節(jié)能管理平臺(tái)的主要技術(shù)路線，湖南大學(xué)針對(duì)回轉(zhuǎn)窯提出了一種新的集成方法PSR-PCA-HMM，并在中州鋁業(yè)公司2號(hào)和3號(hào)回轉(zhuǎn)窯上論證了模型性能，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)溫度的穩(wěn)定閉環(huán)控制[2]。Wurzinger等[3]基于100 t/h水泥回轉(zhuǎn)窯的測(cè)量數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)非線性的自回歸NARMAX模型，交叉驗(yàn)證了其良好的控制設(shè)計(jì)精度。上述研究主要針對(duì)單一回轉(zhuǎn)窯，鮮見關(guān)注于整個(gè)水泥生產(chǎn)線，甚至水泥廠的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與節(jié)能管控緊密結(jié)合的節(jié)能技術(shù)。

鑒于化石燃料現(xiàn)狀，在不降低生產(chǎn)效率的情況下使用高質(zhì)煤替代燃料是工業(yè)爐窯的必然趨勢(shì)，水泥爐窯富氧煅燒新工藝及優(yōu)化控制技術(shù)可以提升低質(zhì)煤使用比例，解決煤種變動(dòng)性制約工業(yè)爐窯節(jié)能減排這一共性難題。Tsiliyannis[4]基于質(zhì)量和焓平衡，量化驗(yàn)證了水泥生產(chǎn)中富氧能提高熟料產(chǎn)量，減少?gòu)U氣量。Puig-Arnavat等[5]研究了富氧程度對(duì)分解爐和窯爐的能量和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律，證實(shí)其可以增加熟料產(chǎn)量、使用替代燃料。文獻(xiàn)[6]研究了氧燃料燃燒在水泥生產(chǎn)中的情況。美國(guó)Cemex′s Victorville水泥廠、California Portland′s Mojave水泥廠、Hercules水泥廠采用富氧燃燒技術(shù)，平均提產(chǎn)8%～10%，燃料消耗降低3%～5%。其中，漢能清源公司變壓吸附制氧與煅燒有機(jī)結(jié)合的技術(shù)是水泥爐窯富氧煅燒技術(shù)的主要技術(shù)路線[7]。

針對(duì)典型的工業(yè)爐窯-水泥爐窯低NOx排放技術(shù)，結(jié)合水泥分解爐工藝特點(diǎn)，采用分級(jí)燃燒與SNCR相結(jié)合的方法降低NOx排放，可以實(shí)現(xiàn)煙氣潔凈排放。清華大學(xué)開展了水泥窯SNCR脫硝工藝中的表面吸附及反應(yīng)機(jī)理研究，探討了CaCO3對(duì)脫硝過(guò)程的影響[8-9]。Baleta等[10]模擬了SNCR過(guò)程中相關(guān)現(xiàn)象的物理過(guò)程，研究了同一工況下主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)NOx還原效率的影響。同時(shí)，美國(guó)Suwannee American Cement、Hercules Cement、Drake Cement，意大利Barbetti，丹麥Alboarg Portland，以色列Nescher水泥廠，以及多家中國(guó)水泥廠等也推廣了該技術(shù)，如棗莊中聯(lián)水泥有限公司2號(hào)5 000 t/d生產(chǎn)線采用ERD高效再燃脫硝技術(shù)結(jié)合SNCR脫硝技術(shù)，脫硝效率達(dá)80%以上，氨水用量小，節(jié)煤效果顯著，脫硝技術(shù)運(yùn)行成本低[11]。

鑒于水泥工業(yè)顆粒物污染控制對(duì)環(huán)境保護(hù)的重要性，關(guān)于水泥廠顆粒物的特性和影響已經(jīng)有一些研究。Hua等[12]基于動(dòng)態(tài)排放因子和窯爐運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，建立了1980—2012年中國(guó)水泥行業(yè)大氣污染物綜合排放清單。Rovira等[13]測(cè)定并整理了2013—2016年水泥廠的PM10水平及各種顆粒物信息。Yang等[14]研究了北京具有危險(xiǎn)廢物綜合處理設(shè)施的某水泥廠周圍的PM10特性。但鮮見關(guān)注于從煙囪排放和從窯爐產(chǎn)生的顆粒物的粒徑分布研究。因此，準(zhǔn)確獲得PM排放因子和粒度分布規(guī)律，研發(fā)顆粒物減排新技術(shù)，對(duì)減少微細(xì)顆粒物排放，提高顆粒物資源化利用率有積極影響。

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所牽頭的“水泥爐窯的高能效低排放關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與工業(yè)示范”項(xiàng)目針對(duì)水泥爐窯提煉出4項(xiàng)核心共性關(guān)鍵技術(shù)，主要集中在工業(yè)爐窯多工藝目標(biāo)物質(zhì)流與能量流匹配節(jié)能、富氧燃燒及燃燒優(yōu)化調(diào)控、分級(jí)燃燒與SNCR優(yōu)化控制技術(shù)以及微細(xì)顆粒物排放與資源化利用等方面，目標(biāo)是有效提高水泥爐窯的用能效率，并顯著降低NOx、顆粒物等污染物排放。

1 水泥爐窯節(jié)能管控技術(shù)

1.1 水泥分解爐的物質(zhì)流與能量流分析

基于節(jié)點(diǎn)計(jì)算法開展了水泥熟料生產(chǎn)工藝過(guò)程中物質(zhì)流與能量流相匹配的節(jié)能分析。以一臺(tái)3 200 t/d(實(shí)際產(chǎn)量達(dá)3 800 t/d)的水泥分解爐為例，采用Aspen Plus軟件建立了水泥熟料生產(chǎn)工藝的計(jì)算模型，模擬了該分解爐中煤粉燃燒和生料分解，分解爐流程如圖1所示。B1為非常規(guī)物質(zhì)(煤)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器；B2為煤燃燒反應(yīng)器；B3為生料分解反應(yīng)器；B4為氣固分離器；B5為一次風(fēng)、三次風(fēng)和回轉(zhuǎn)窯煙氣的混合器。

圖1 分解爐模擬流程Fig.1 Simulation flow chart of decomposition furnace

3 800 t/d產(chǎn)量水泥爐窯工業(yè)示范現(xiàn)場(chǎng)采集的分解爐分解率、出口煙氣成分和溫度見表1～3。由表1模擬結(jié)果可知，水泥生料分解達(dá)到預(yù)期要求，總分解率為97%，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差不足1.4%，其他各種組分與實(shí)際分解爐運(yùn)行工況基本相符。

表1 分解后生料組分結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of raw material components after decomposition

由表2可知，分解爐出口煙氣主要包括H2、O2、N2、CO、CO2和H2O等氣體。其中，模擬結(jié)果中CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到28.97%，實(shí)測(cè)分解爐中CO2體積分?jǐn)?shù)為29.7%，偏差不足2.5%；模擬結(jié)果中O2為2.81%，實(shí)測(cè)煙氣中O2為3.30%，可知模擬結(jié)果符合實(shí)際運(yùn)行。由表3可知，在不考慮分解爐散熱損失的條件下，模擬中分解爐出口溫度為1 191 K，在考慮分解爐爐體散熱后，分解爐出口溫度為1 175 K；而分解爐現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，出口溫度為1 172 K，在考慮散熱時(shí)，分解爐出口模擬溫度與現(xiàn)場(chǎng)溫度偏差不足0.4%，表明模擬結(jié)果可靠。該模型適用于預(yù)測(cè)水泥分解爐煤粉燃燒和生料分解情況。

表2 分解爐出口煙氣成分對(duì)比Table 2 Comparison of flue gas components at the outlet of the decomposition furnace

表3 分解爐出口溫度對(duì)比Table 3 Comparison of outlet temperature of the decomposition furnace

1.2 篦冷機(jī)內(nèi)氣固流動(dòng)及換熱研究

以3 800 t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，針對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備——篦冷機(jī)，采用Fluent軟件開展了篦冷機(jī)內(nèi)水泥熟料和空氣的流動(dòng)與換熱的三維數(shù)值模擬，得到了篦冷機(jī)內(nèi)部熟料相和空氣相的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布規(guī)律，研究了篦冷機(jī)內(nèi)水泥熟料和空氣的流動(dòng)、換熱特性。對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與3 800 t/d水泥熟料生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的溫度(表4)發(fā)現(xiàn)：偏差為0.40%～13.10%，驗(yàn)證了模型的可靠性。該模型適用于預(yù)測(cè)篦冷機(jī)內(nèi)氣固流動(dòng)及換熱情況。

表4 篦冷機(jī)各出口煙氣溫度對(duì)比Table 4 Comparison of temperatures at each outlet of the grate cooler

給定篦冷機(jī)進(jìn)料量，研究了粒徑變化對(duì)熟料-空氣換熱的影響規(guī)律[15]，研究表明：10 mm熟料粒徑的換熱效果最好，可達(dá)到72%熱回收效率。進(jìn)一步采用余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)，即將100 ℃廢氣處理后通過(guò)循環(huán)風(fēng)管引入后篦冷機(jī)冷卻區(qū)段風(fēng)室，可提升熱回收效率至74.9%。

1.3 汽電雙驅(qū)技術(shù)成功應(yīng)用于水泥行業(yè)

在一臺(tái)5 000 t/d熟料生產(chǎn)線上建設(shè)了3 MW汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)窯尾高溫風(fēng)機(jī)節(jié)能項(xiàng)目，電耗下降9.32 kWh/t(以熟料計(jì))，這是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)在熟料生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)電機(jī)/汽輪機(jī)雙驅(qū)動(dòng)窯尾高溫風(fēng)機(jī)的應(yīng)用案例。該項(xiàng)目于2017年2月開工建設(shè)，5月投入運(yùn)行，建成了一套與水泥企業(yè)余熱電站富余蒸汽相匹配的3 MW凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，替代電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)窯尾高溫風(fēng)機(jī)(圖2)。當(dāng)汽輪機(jī)出現(xiàn)故障、大修或余熱鍋爐未產(chǎn)生足夠蒸汽時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)；當(dāng)汽輪機(jī)組故障排除后，系統(tǒng)自動(dòng)切換到汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，充分保證了窯尾高溫風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 汽電雙驅(qū)窯尾高溫風(fēng)機(jī)系統(tǒng)Fig.2 High-temperature fan system of steam-electric double-driven in cement kiln

1.4 水泥爐窯節(jié)能管控平臺(tái)研究與開發(fā)

研究了面向企業(yè)能源計(jì)量信息的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制的標(biāo)準(zhǔn)化建模方法及雙向數(shù)據(jù)通訊規(guī)范。水泥爐窯節(jié)能管控系統(tǒng)采用“集中決策層+分布控制層+設(shè)備層”的三層架構(gòu)(圖3)。

集中決策層包括節(jié)能管控系統(tǒng)平臺(tái)和信息交互總線。其中節(jié)能管控系統(tǒng)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)水泥工藝高能效低排放統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的核心，可以完成水泥工藝模型建模、多能流信息采集建模、多能流水泥產(chǎn)量-能效-排放最佳匹配優(yōu)化控制模型等功能。信息交互總線主要負(fù)責(zé)與處于分布式控制層的可調(diào)控資源管理系統(tǒng)或裝置的信息互聯(lián)。

分布控制層主要負(fù)責(zé)對(duì)多能流水泥產(chǎn)量-能效-排放最佳匹配優(yōu)化控制模型中的單個(gè)可調(diào)控資源的監(jiān)控管理，包括對(duì)供配電、余熱利用、富氧燃燒、分解爐分級(jí)燃燒與SNCR脫硝等水泥DCS系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管控，各子系統(tǒng)與主站系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，以及下發(fā)控制指令到設(shè)備層。

設(shè)備層主要負(fù)責(zé)對(duì)供配電設(shè)備、水泥多能流工藝設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制。

能源管控系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用組件化設(shè)計(jì)，包含能源綜合監(jiān)控、基礎(chǔ)能源管理、高級(jí)能源管理、綜合信息發(fā)布四大應(yīng)用。通過(guò)全業(yè)務(wù)優(yōu)化整合及全流程高效貫通，發(fā)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的能耗異常點(diǎn)和節(jié)能潛力點(diǎn)，合理安排用能計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)企業(yè)能耗精細(xì)化管控目標(biāo)，從技術(shù)和管理2條主線進(jìn)行節(jié)能管控。

針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)+能源管控系統(tǒng)的跨安全區(qū)數(shù)據(jù)接入問(wèn)題，提出在該能源管控系統(tǒng)與電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)安全一區(qū)之間，增加數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)安全區(qū)，數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)安全區(qū)內(nèi)無(wú)線通信服務(wù)器與內(nèi)網(wǎng)通信服務(wù)器通過(guò)正反向隔離相連，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)+能源管控系統(tǒng)的上行數(shù)據(jù)采集與下行遙控遙調(diào)下發(fā)，符合《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的安全規(guī)范，可適用于不同行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+系統(tǒng)數(shù)據(jù)的跨安全區(qū)接入[16]。

針對(duì)電表易動(dòng)問(wèn)題，研發(fā)了一種適用于電表易動(dòng)的電量數(shù)據(jù)采集處理方法，可以消除電表原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)差異，提高電量數(shù)據(jù)分析的可靠性，進(jìn)一步提出綜合能源系統(tǒng)電表易動(dòng)的處理方案。以綜合能源系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在主站系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中增加電表設(shè)備用于存儲(chǔ)采集電度值，增設(shè)歷史電度值作為電表更換的標(biāo)識(shí)，消除電表更換后帶來(lái)的數(shù)據(jù)差異，為電量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高電量相關(guān)業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確性[17]。

2 工業(yè)爐窯富氧燃燒技術(shù)

2.1 水泥窯煤粉富氧燃燒研究

為了研究氧-煤燃燒技術(shù)在水泥回轉(zhuǎn)窯中應(yīng)用的可能性，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法開展了水泥回轉(zhuǎn)窯富氧煅燒的數(shù)值模擬研究[18]，探討了燒結(jié)區(qū)一次風(fēng)的氧氣/氮?dú)獗仍?1%～31%時(shí)，回轉(zhuǎn)窯的溫度分布(圖4)、煤的燃盡率、火焰形狀以及NOx的生成情況。

圖4 不同氧濃度下窯燒區(qū)最高溫度和平均溫度變化[18]Fig.4 Changes ofthe maximum and average temperature in the kiln firing zone for various oxygen concenreation[18]

工業(yè)示范現(xiàn)場(chǎng)采用FLIR A615熱像儀通過(guò)回轉(zhuǎn)窯爐頭觀察孔采集到的平均最高火焰溫度和平均內(nèi)壁溫度見表5?？芍M結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果吻合良好，證明水泥窯內(nèi)煤粉富氧燃燒可以明顯提高窯內(nèi)火焰溫度及窯內(nèi)整體溫度。由于火焰核心區(qū)縮短，導(dǎo)致燒成段長(zhǎng)度縮短，因此需要適當(dāng)降低直流風(fēng)和旋流風(fēng)調(diào)節(jié)火焰長(zhǎng)度。富氧導(dǎo)致煤粉燃燒更加劇烈，燃盡率提高，達(dá)到節(jié)約燃料的目的。

表5 回轉(zhuǎn)窯觀察孔點(diǎn)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比Table 5 Comparison of temperature data from looking-fire-hole in rotary kiln

將水泥窯煤粉富氧燃燒數(shù)值模擬結(jié)果用于指導(dǎo)試驗(yàn)過(guò)程，建立了高溫水泥煅燒試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)探究燒成溫度對(duì)水泥煅燒成球以及熟料質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：煅燒溫度影響熟料顆粒成球過(guò)程，提高燒成溫度有利于提高水泥熟料質(zhì)量。該結(jié)論也得到了工業(yè)示范現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證?？諝?富氧助燃下水泥爐窯生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比見表6，采用富氧助燃后，水泥窯爐負(fù)荷(即稱顯熟料臺(tái)時(shí)產(chǎn)量)明顯增加，熟料品質(zhì)(包括熟料3 d的強(qiáng)度和f-CaO合格率)明顯提高。

表6 空氣/富氧助燃下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比Table 6 Comparison of production indicatorsunder air and oxygen-enriched combustion

2.2 水泥爐窯富氧燃燒新技術(shù)應(yīng)用

基于以上研究，完成了一套水泥爐窯富氧煅燒新技術(shù)設(shè)備(圖5)的安裝以及調(diào)試運(yùn)行工作。通過(guò)分析運(yùn)行記錄和能效測(cè)試結(jié)果，結(jié)合示范應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)：將富氧助燃系統(tǒng)應(yīng)用于水泥生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定爐窯工況、提高熟料產(chǎn)量和質(zhì)量等多項(xiàng)目標(biāo)。

圖5 水泥廠窯頭燃燒器Fig.5 Kiln head burner in cement plant

開展了建材行業(yè)富氧燃燒系統(tǒng)的推廣工作，完成了一套玻纖制氧系統(tǒng)及液氧后備項(xiàng)目(圖6)的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)采用高效分子篩變壓吸附方式制備富氧，主要運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到：連續(xù)運(yùn)行時(shí)間72 h，氧氣平均純度為93.66%，氧氣平均流量為3 287 m3/h，電耗為0.37 kWh/m3，氧氣平均純度和流量均超過(guò)了預(yù)期指標(biāo)。

圖6 玻纖制氧系統(tǒng)吸附塔Fig.6 Adsorption tower in glass fiber oxygen system

3 水泥分解爐脫硝技術(shù)優(yōu)化

3.1 CO還原NO及CaO催化還原機(jī)制

目前，水泥分解爐脫硝主要采用分級(jí)燃燒(空氣分級(jí)/燃料分級(jí))和爐內(nèi)噴氨SNCR兩類技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)深度脫硝，必須針對(duì)分解爐高濃度高氧化鈣復(fù)雜環(huán)境，開展分級(jí)燃燒和SNCR噴氨脫硝機(jī)制研究。

1)CO還原NO機(jī)制

在水泥分解爐中，分級(jí)燃燒在爐內(nèi)形成貧氧環(huán)境，產(chǎn)生大量還原性物質(zhì)(主要為CHi和CO)，使得NOx被還原為N2。CO對(duì)NOx具有較強(qiáng)的還原能力。為了獲得CO還原NO關(guān)鍵反應(yīng)機(jī)制和反應(yīng)路徑，利用Chemkin軟件模擬了CO還原NOx的反應(yīng)路徑。采用一維柱塞流反應(yīng)器(plug-flow reactor,PFR)模型和詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理GRI 3.0。

CO脫硝過(guò)程中N轉(zhuǎn)化主要反應(yīng)路徑如圖7所示，結(jié)果表明：NH和H對(duì)NO還原具有重要作用，H來(lái)源于H2O，高溫下H2O分解為OH和H，CO與OH反應(yīng)生成CO2和H，因此煙氣中H2O和CO濃度對(duì)NOx脫除具有重要影響。Li等[19]研究表明：當(dāng)H2O<1%，控制因素為H2O含量，提高H2O可激發(fā)更多自由基H；當(dāng)H2O>1%，控制因素為CO含量，提高CO濃度，可使H達(dá)到更高濃度平衡態(tài)；OH促進(jìn)NO生成，H促進(jìn)NO還原，可以實(shí)現(xiàn)H2O和CO耦合調(diào)控深度燃燒降氮。

圖7 CO脫硝過(guò)程中N轉(zhuǎn)化主要反應(yīng)路徑[20]Fig.7 Main reaction path of N conversion during CO denitrification[20]

2)CaO對(duì)CO還原NOx的催化機(jī)制

水泥分解爐處于高濃度CaO環(huán)境中，為了探尋CaO對(duì)CO還原NOx影響機(jī)制，基于分子動(dòng)力學(xué)廣義梯度密度泛函理論，利用分子動(dòng)力學(xué)軟件Materials Stuidio針對(duì)CaO催化CO還原NO反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬。該模擬在Dam-Johansen等[21]基于試驗(yàn)現(xiàn)象推測(cè)出的Langmuir-Hinshelwood反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上開展研究。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，*為CaO表面活性吸附位；下標(biāo)ads為吸附態(tài)。

基于CaO催化CO還原NO的反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)CaO催化使得COads還原NOads的反應(yīng)能壘為2.06 eV，無(wú)CaO催化時(shí)CO還原NO的反應(yīng)能壘為10.84 eV[22-23]。CO在CaO表面氧化產(chǎn)生活性空位，高效催化NO還原，反應(yīng)能壘降低了80.5%。CaO表面催化CO還原NO反應(yīng)機(jī)制，效率提高了30%～42%[24]。CO還原NO各步反應(yīng)勢(shì)能如圖8所示。

圖8 CO還原NO各步反應(yīng)勢(shì)能[23]Fig.8 Potential energy diagram of each step of CO reduction to NO[23]

3.2 CaO對(duì)SNCR脫硝的影響機(jī)制

針對(duì)水泥爐窯分解窯工藝特點(diǎn)，分解爐工藝要求60%左右的煤粉進(jìn)入分解爐燃燒，爐內(nèi)溫度在850～1 100 ℃，在燃燒區(qū)上方采用SNCR噴入還原劑氨，可實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過(guò)程中的NOx減排。然而，由于分解爐內(nèi)含有高濃度CaO，對(duì)SNCR脫硝具有一定影響[8,25]。為此，通過(guò)原位紅外試驗(yàn)對(duì)NH3和NO在CaO表面的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了紅外在線監(jiān)測(cè)分析，結(jié)合表征檢測(cè)和紅外監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行了NH3和NO在CaO表面反應(yīng)的微觀反應(yīng)機(jī)理研究。

高鈣環(huán)境中，NH3與O2和NO反應(yīng)路徑如圖9所示。在高CaO氣氛中，NH3吸附于CaO表面發(fā)生脫氫反應(yīng)，CaO表面的NH3與吸附的O2反應(yīng)產(chǎn)生NH2，O2可以加速NH3轉(zhuǎn)化為NH2。NH2在CaO表面既可以與O2反應(yīng)生成NO，又可以與NO反應(yīng)生成N2，而NH2與O2反應(yīng)速率比NH2與NO反應(yīng)速率快。NH3容易吸附在CaO表面氧化為NO，消耗大量NH3，并且抑制NO還原，CaO抑制NH3還原NO[20]。

圖9 高鈣環(huán)境中NH3與O2和NO反應(yīng)路徑Fig.9 Reaction path of NH3 with O2 and NO in high calcium environment

3.3 工程應(yīng)用

針對(duì)目前水泥分解爐高氧化鈣濃度區(qū)間噴氨脫硝傳統(tǒng)方式存在的問(wèn)題，結(jié)合氧化鈣抑制噴氨脫硝前期研究成果，考慮到分解爐預(yù)分解器C5出口(圖10)大量CaO被分離，可滿足避開高濃CaO區(qū)對(duì)SNCR脫硝抑制的要求。為此，提出了水泥分解爐C5出口爐外噴氨脫硝方案以及分解爐下錐體噴氨脫硝方案，在某水泥廠3 200 t/d的新型干法水泥分解爐預(yù)分解器C5出口安裝2層SNCR噴氨口，每層3支噴氨槍。爐外噴氨脫硝方案實(shí)施后，脫硝效率提高了25%，噴氨量降低了40%，NOx排放由改造前400 mg/m3降低到295 mg/m3。

圖10 水泥分解爐預(yù)分解器C5出口噴氨脫硝Fig.10 Ammonia spraydenitration at the C5 outlet of the precalciner of the cement decomposition furnace

4 水泥爐窯顆粒物減排技術(shù)

4.1 顆粒物高效分離和潔凈排放研究

水泥爐窯作為典型的燃煤工業(yè)爐窯，普遍存在高能耗高排放等問(wèn)題，亟需研發(fā)煙氣微細(xì)顆粒物高效分離潔凈排放以及節(jié)能利用的關(guān)鍵技術(shù)。

在理論模型和試驗(yàn)研究方面，建立了考慮布朗團(tuán)聚、湍流團(tuán)聚以及臨界碰撞速度的離散元數(shù)值模型，并針對(duì)擾流元件前后微細(xì)顆粒發(fā)生的團(tuán)聚過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究(圖11)[26]，探尋了擾流元件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微細(xì)顆粒物團(tuán)聚效率的影響，主要參數(shù)包括幾何尺寸、排數(shù)、縱向節(jié)距、橫向節(jié)距、布置方式等。研究表明，4.8 m/s進(jìn)口流速下湍流團(tuán)聚的最佳團(tuán)聚效率約為16.42%[26-27]。

圖11 對(duì)比給定工況下團(tuán)聚效率的試驗(yàn)和模擬結(jié)果[26]Fig.11 Comparison of the agglomeration efficiency of experimental and simulation results under given conditions[26]

選取以水泥廠為代表的燃煤工業(yè)進(jìn)行微細(xì)顆粒物排放測(cè)試，結(jié)果表明：傳統(tǒng)燃煤工業(yè)除塵設(shè)備靜電除塵器、布袋除塵器等在粒徑0.1～1.0 μm具有脫除效率低的工業(yè)問(wèn)題[28-30]。

針對(duì)該工業(yè)實(shí)際問(wèn)題，研發(fā)了濕式相變凝聚裝置并進(jìn)行中試研究(圖12)。結(jié)果表明：濕式靜電除塵器結(jié)合濕式相變凝聚系統(tǒng)后，對(duì)高濕燃煤煙氣環(huán)境下PM1及PM2.5脫除效率可達(dá)83.6%～95.3%以及87.7%～95.0%，且具有Hg、Mn和As等痕量金屬元素的多污染物脫除效果[31-33]。

圖12 濕式除塵系統(tǒng)[32]Fig.12 Wet dust removal system[32]

考慮到荷電霧滴對(duì)微細(xì)顆粒物脫除具有較優(yōu)效果，采用電壓10～30 kV和頻率10～15 kHz的介質(zhì)阻擋放電方式對(duì)超聲波噴霧進(jìn)行荷電團(tuán)聚微細(xì)顆粒物的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：水霧荷質(zhì)比在mC/kg量級(jí)，同時(shí)在1 m/s進(jìn)口流速條件下，荷電噴霧對(duì)亞微米顆粒的團(tuán)聚效率約為39%。

4.2 顆粒物減排技術(shù)應(yīng)用于水泥爐窯

基于多場(chǎng)耦合凝聚微細(xì)顆粒物的思路，提出超聲波霧化預(yù)荷電湍流凝聚技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)濕式相變凝聚、霧化荷電凝聚以及湍流凝聚，結(jié)合傳統(tǒng)除塵設(shè)備實(shí)現(xiàn)燃煤工業(yè)爐窯煙氣微細(xì)顆粒物的高效團(tuán)聚與脫除。同時(shí)，提出系列凝聚效率高、簡(jiǎn)單可行且具有推廣價(jià)值的顆粒物減排技術(shù)，主要包括超聲波霧化荷電湍流團(tuán)聚顆粒物系統(tǒng)及方法[34-35]、顆粒濃淡電湍凝聚裝置[36]、低溫等離子體荷電超聲波霧化液滴的顆粒凝聚裝置[37-38]等。基于上述顆粒物減排技術(shù)的積累，將研發(fā)的超聲波霧化預(yù)荷電湍流凝聚裝置在某水泥爐窯上進(jìn)行應(yīng)用，并完成了示范裝置的現(xiàn)場(chǎng)安裝。該裝置由超聲波霧化荷電電極以及湍流團(tuán)聚擾流元件2部分組成，并創(chuàng)新性地將低溫等離子體應(yīng)用于霧化液滴荷電，通過(guò)霧化荷電電極與超聲波噴霧流道的巧妙設(shè)計(jì)，有效解決沿面閃絡(luò)、電極固定、絕緣保護(hù)以及積液引流等問(wèn)題。

5 展 望

水泥爐窯高能效低排放關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用已成為一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)，而節(jié)能管控與余熱利用、富氧煅燒、分級(jí)燃燒以及顆粒物分離與資源化利用是水泥爐窯節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的重要方向?；诖耍槍?duì)工業(yè)爐窯節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展提出5個(gè)方面的建議：

1)探索適用于工業(yè)爐窯節(jié)能管控的人工智能系統(tǒng)，如爐窯電力需求側(cè)管理系統(tǒng)等。將水泥爐窯噸熟料最低電耗作為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，分析水泥燒成系統(tǒng)過(guò)程變量數(shù)據(jù)，獲得水泥熟料燒成系統(tǒng)電力消耗過(guò)程的最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)。

2)研究水泥爐窯O2/CO2煅燒等變革性技術(shù)，大幅提高爐窯產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。用O2/CO2替代O2/N2燃燒，可以避免N2參與燃燒產(chǎn)生NOx，CO2分子的強(qiáng)輻射也有利于爐內(nèi)溫度分布均勻，同時(shí)，窯尾出口煙氣中的高純度CO2可以被直接捕獲后進(jìn)行資源化利用。

3)研發(fā)先進(jìn)的分級(jí)燃燒、SNCR以及顆粒物分離與資源化利用等污染物減排技術(shù)。針對(duì)煤種適應(yīng)性和超低排放的要求，研發(fā)適用于工業(yè)爐窯的新型燃燒、NOx減排和顆粒物脫除技術(shù)，通過(guò)理論和技術(shù)的原始創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)NOx濃度≤50 mg/Nm3，SO2濃度≤30 mg，氨逃逸≤8 mg/Nm3，PM濃度≤10 mg/Nm3等超低排放的目標(biāo)。

4)開發(fā)工業(yè)爐窯余熱余能利用升級(jí)換代技術(shù)。以O(shè)RC低溫余熱發(fā)電技術(shù)為例，利用有機(jī)工質(zhì)沸點(diǎn)低，在低品質(zhì)熱源條件(80～300 ℃)下也可獲得較高的蒸汽壓力進(jìn)入透平膨脹做功的特性，將工業(yè)余熱的低品位熱能轉(zhuǎn)換為高品位電能。

5)加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)和裝備在工業(yè)爐窯的推廣。全面提升整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的水平，包括爐窯保溫、耐火材料、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)、制造工業(yè)及設(shè)備開發(fā)等。另外，需要建立和完善質(zhì)量體系和標(biāo)準(zhǔn)，助推我國(guó)工業(yè)爐窯產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文綜述了節(jié)能管控與余熱利用、富氧煅燒、分級(jí)燃燒以及顆粒物分離與資源化利用等工業(yè)爐窯節(jié)能減排共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及其在大型水泥爐窯上的集成應(yīng)用，主要結(jié)果包括：建立了一種工業(yè)爐窯物質(zhì)流與能量流匹配的數(shù)學(xué)模型，獲得了典型工業(yè)爐窯不同部位的能量收支情況，安裝了工業(yè)爐窯節(jié)能管控平臺(tái)；研究了富氧燃燒對(duì)窯內(nèi)溫度、水泥煅燒成球以及熟料質(zhì)量的影響，制氧量可達(dá)1 100 Nm3/h(氧氣體積分?jǐn)?shù)80%)，制氧設(shè)備單位電耗為0.38 kWh/Nm3(按純氧計(jì))，富氧燃燒氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%～35%；開展了0.6 t/d水泥分解爐分級(jí)燃燒和CaCO3分解試驗(yàn)研究，實(shí)施了水泥分解爐C5出口以及下錐體噴氨脫硝方案的現(xiàn)場(chǎng)改造，脫硝效率提高了25%，噴氨量降低了40%，NOx排放降低到295 mg/m3；建立了亞微米顆粒湍流凝聚以及霧化荷電電極試驗(yàn)平臺(tái)，確定了示范工程的擾流元件參數(shù)及流動(dòng)參數(shù)，改造后窯頭顆粒物排放濃度≤15 mg/m3，煙道內(nèi)增加阻力≤100 Pa。