陳昌華，彭學平，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，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，導致煙氣治理的技術難度更大。

目前，國內外水泥行業(yè)大多采用選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術或選擇性催化還原（SCR）脫硝技術。采用SNCR 脫硝技術，可實現系統(tǒng)NOX減排＞70%，但存在氨逃逸現象，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 脫硝技術可提升NOX減排效率，實現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，不利于熟料生產全過程的節(jié)能降耗和碳減排。天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司（以下簡稱：天津水泥院）將節(jié)能減排技術與先進燒成技術深度融合，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備，普通硅酸鹽水泥熟料在窯爐內的煅燒溫度高達1 400℃～1 450℃，燃料在燃燒過程中不可避免地會產生NOX。在水泥燒成過程中，回轉窯和分解爐是主要燃燒設備，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；碳氫基團反應過程中形成的中間產物和N2反應形成的快速型NOX。

圖1 水泥窯爐煙氣NOX的生成部位

2.1 回轉窯內熱力型NOX的生成機理

回轉窯內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，根據窯內煅燒溫度的高低，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相關。前蘇聯科學家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，J/（gmol·K）

T——絕對溫度，K

根據式（1）可知，當燃燒溫度＜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 分解爐內燃料型NOX的生成機理

分解爐內燃料約占燒成系統(tǒng)總燃料量的60%，燃燒溫度一般為900℃～1 100℃，分解爐內燃料型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，當燃料中的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 先轉換為CN 基或NH3基，再反應生成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)自脫硝技術工作原理

傳統(tǒng)自脫硝技術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，利用燃燒過程中形成的中間產物抑制NOX生成的脫硝技術。傳統(tǒng)的自脫硝技術包括空氣分級燃燒自脫硝技術和燃料分級燃燒自脫硝技術。

（1）空氣分級燃燒自脫硝技術是在分解爐內分級喂入三次風，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生的NOX，但貧氧燃燒區(qū)過氧系數較高，整體脫硝效果欠佳。

（2）燃料分級燃燒自脫硝技術是在分解爐內分級喂入燃料，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限制脫硝效率提升的主要原因是分解爐設備空間有限，脫硝反應停留時間較短，脫硝反應時間不足且難以抑制分解爐燃料自身燃燒產生的NOX。

3.2 在線型梯度燃燒自脫硝分解爐的開發(fā)

分解爐結構靈活、易于調節(jié)，是降低水泥窯系統(tǒng)NOX排放濃度的關鍵部位。天津水泥院基于梯度燃燒技術，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生的還原性中間產物（主要為CO、H2、烴基等[4]），還原或抑制回轉窯和分解爐內燃燒形成的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?？諝庀禂涤尚〉酱笠来蝿澐譃閺娯氀鯀^(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控三次風、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)：三次風管以下的部位，過?？諝庀禂怠?.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)：三次風管與脫硝風管之間的區(qū)域，過?？諝庀禂?.5～1.0，為弱還原氣氛，在此區(qū)域分解爐內燃料型NOX被抑制生成或被還原。

燃燼區(qū)：脫硝風管以上的區(qū)域，過?？諝庀禂担?.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，反應過程如式（2）所示：

其反應速率如式（3）所示：

式中：

ρg——氣體密度，g/cm3

YNO——氣體中NO的質量分數，%

YCO——氣體中CO的質量分數，%

Tg——反應溫度，K

還原區(qū)中的還原介質CO 濃度、反應溫度Tg對脫硝反應起到關鍵作用。

4 帶旋流裝置的脫硝燃燒器的設計開發(fā)

在分解爐自脫硝技術中，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)單通道燃燒器無導流擴散葉片，煤粉在貧氧還原區(qū)不能被快速分散，導致燃燒中間產物CO 和煙氣中的NOX難以完全接觸，降低了脫硝反應效率。多通道燃燒器作用時，風煤混合由管內移到了管外，雖然多通道燃燒器有旋流器，可以產生旋轉環(huán)形射流[5]，但采用多通道燃燒器，勢必會增加一次風用量，不利于節(jié)能降耗。因此，在單通道燃燒器的基礎上，設計開發(fā)了一種帶導流擴散葉片（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

為了獲得關鍵設計參數，通過計算機CFD仿真模擬了分解爐內流場分布，研究了燃料在分解爐強貧氧還原區(qū)內不同分散狀態(tài)下的自脫硝效率，對不同噴射風速、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分別為不帶導流擴散葉片及帶導流擴散葉片的燃燒器燃料運動分布。由圖3、圖4 可知，無導流擴散葉片時，下層煤粉在運動中存在明顯對撞現象；有導流擴散葉片時，煤粉在運動中擴散，無對撞現象。

圖3 不帶導流擴散葉片的燃燒器燃料運動分布

圖4 帶導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，以及局部阻力導致風機電耗增加等問題，天津水泥院開發(fā)了一種帶導流擴散葉片（旋流葉片）的分解爐脫硝燃燒器[6]。該燃燒器在外管內部設有直流葉片、旋流葉片、導流錐和中心管，其中，導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部。旋流葉片與導流錐相配合，以減小煤粉慣性沖擊力對旋流葉片的磨損。煤風攜帶煤粉進入燃燒器后，在導流錐的配合作用下，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合成型，大幅度提升了燃燒器頭部結構內的耐磨性能，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 工程應用

滕州東郭水泥6 000t/d新型干法水泥熟料生產線由天津水泥院總承包，于2021 年7 月點火投料。該生產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、南陽中聯等水泥工程項目自脫硝技術成功應用后的再次升級，圖5為梯度燃燒自脫硝技術在滕州東郭項目的應用。

圖5 梯度燃燒自脫硝技術在滕州東郭項目的應用

生產線投產后，梯度燃燒自脫硝技術使用效果良好，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)同類生產線下降60%以上。脫硝系統(tǒng)整體運行狀態(tài)良好，預熱器出口溫度＜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 結語

基于帶導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，將燒成技術與環(huán)保要求進行了深度融合，實現了水泥窯爐系統(tǒng)生產過程中的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濟效益。