分级燃烧技术的研究和应用

  山东联合王晁水泥有限公司2500t/d生产线采用单系列5级旋风预热器、Φ5.1m×30m管道式分解炉，于2014年12月新上SNCR脱硝系统，NOx排放值控制在400mg/Nm₃以下，氨水使用量在500kg/h，由于大量的冷风和氨水喷入分解炉，热耗增加约2~3kgce/tcl，系统受到影响，熟料生产成本增加较多。为了降低能耗，减少氨水使用量，公司采用分级燃烧技术来降低NOx。经过改造调试，运行3个月减排效果良好，在不喷氨水的情况下，NOx排放降低50%~60%，使用少量氨水或有时停用氨水NOx排放浓度可以降至300mg/Nm₃以下，系统运行稳定。

  1、分级燃烧技术的优势

  1)与工艺操作相结合，降低并还原窑内产生的热力型NOx，抑制燃料型NOx的生成，可从源头有效降低NOx的产生。

  2)对生产线的正常生产运行和水泥熟料产质量无不利影响。

  3)降低氨水用量或者停用氨水，减少生产运行成本。

  4)工艺技术改造后，使运行参数得以优化，系统运行质量和稳定性得到提升，并有一定的节能效果，系统无额外运行成本。

  2、技改方案设计理念

  1)采用分级燃烧技术降低NOx生成量，同时优化分解炉的性能和效果。

  2)对分解炉结构局部进行优化，使分解炉内的气体流场和温度场更加均匀、稳定、合理，提高分解炉性能。

  3)在分解炉的合适部位分别配置“变流场分解炉燃烧器”和“复合流场分解炉燃烧器”，改善分解炉内煤粉混合、燃烧状态，保证煤粉的充分燃烧，提高分解炉的能力，降低系统用煤量。变流场分解炉燃烧器内筒距可以调整，并配有外风可以根据燃烧情况进行调整；复合流场分解炉燃烧器的内筒固定配有净风管。

  4)配合分级燃烧系统技术原理，采用“精准平衡操作技术”，在运行中三次风管的阀门开度达到100%，在提高分解炉性能的情况下，保证分级燃烧的效果。

  3、改造方案

  将预热器锁风阀更换为微动型锁风阀，该阀锁风效果更好，可降低预热器旋风筒之间的内漏风，提高分离效率，降低热耗。对预热器下料管撒料箱进行改造，提高生料的分散度。将窑头煤粉燃烧器更换为低氮型燃烧器，降低一次风的用量。对篦冷机固定床进行技术改造，降低熟料流动速度，增加二次风温，提高熟料急冷效果，降低出篦冷机熟料温度。对入分解炉生料下料点和平台进行改造，撒料台距喷煤管1~1.5m，提高生料粉的分散度。对三次风入分解炉管道位置和锥体尺寸进行改造，建立还原区（三次风管改造后抬高1500mm，分解炉柱体高度增加50mm）。将分解炉煤粉由单层的两个入炉点改造为上下两层，每层两个喂煤点。窑尾预热器系统改造后情况见表1，分解炉的改造方案见图1。

表1 窑尾预热器改造后参数

图1 分解炉的改造方案

  4、调试过程

  调试初期，首先将窑头燃烧器位置定位在窑中心线零点上面50mm处，三次风闸阀开度由原来的30%提升至全开，分解炉上下两层燃烧器用煤比例为4∶6，角度30°，同层两根燃烧器的用煤比例5∶5，投料量逐渐加至额定产量。

  运行中现场巡检发现分解炉锥部有烧红现象，窑皮由16m缩短到14m，窑皮脱落频繁，烧成带窑皮厚度不够、不均匀、不结实。这样一来系统稍有波动，熟料质量就不稳定，长期运行导致窑的耐火砖脱落。改进措施：在配料方面，要想提高窑皮的质量，首先要调整熟料的配料，配料方案的基本原则是，KH控制在0.90~0.91，SM控制在2.5~2.6，IM控制在1.5~1.6；窑速由3.6r/min提高到3.9r/min，实现薄料快烧；分解炉上燃烧器角度（与分解炉轴心线)由45°调整到30°，三次风阀开度由60%调整到100%，二次风温控制在   (1175±25) ℃，二次风压力控制在0~-50 Pa，分解炉锥体下两根燃烧器的角度由45°调整到30°；上下两层燃烧器用煤比例由1号∶2号∶3号∶4号=20%∶20%∶30%∶30%调整为1号∶2号∶3号∶4号=10%∶10%∶40%∶40%，窑头燃烧器内外风比例由35%∶65%调整为40%∶60%，窑头用煤量由6.1 t/h调整为5.2~5.4t/h，分解炉用煤量由11.4t/h调整到10.6~10.8t/h（在同样煤质的情况下），窑内空气过剩系数控制在1.05，废气中O2浓度控制在2.0%~2.5%。经过一个月的调整，窑系统运转正常，窑尾烟室、分解炉常年不结皮，窑产量稳定在3000t/d，吨熟料标煤耗由112.85kg下降到110.71kg，NOx下降30%~40%。

  5、经济效益

  改造后运行指标：改造后NOx排放浓度由950~1000mg/Nm₃下降到400~500mg/Nm₃，降幅52.63%；改造后吨熟料氨水用量由4.1kg下降到1.1kg，降幅73.2%；因氨水的使用量减少，使熟料热耗也下降，节能减排明显。

  6、结束语

  2015年4月分级燃烧技术改造投入运行后，脱硝效率可达到60%，窑用煤量比改造前下降2%~3%，熟料产质量得到很大程度的提高，窑熟料日产量稳定在2950t/d以上，熟料28d抗压强度在58MPa以上。窑系统技术操作参数的设定比较重要，操作人员要学习领会改造思想理念，适应改造后的精细化操作要求。分级燃烧技术是一项无需运行成本的脱硝技术，也是水泥行业节能减排降低NOx的一项技术创新，在改造的过程中还存在很多问题，还有提高效益的空间，需进一步探讨和摸索。