分级燃烧技术改造分析

随着经济高速发展，环保意识逐渐增强，一些省份相继出台大气污染超低排放标准，要求NOx排放浓度＜100 mg/Nm3，甚至＜50 mg/Nm3，达到要求就可以减免错峰停窑时间，不合格企业则限期整改甚至关停，倒逼水泥企业必须进行改造。我集团湖北某公司3?800t/d烧成系统采用Φ4.4m×60 m回转窑、单系列五级预热器、带涡流室分解炉，同时烧RDF 240 t/d。正常运行时，系统NOx排放浓度510mg/Nm3，高于国家标准400mg/Nm3，并远高于地方标准100mg/Nm³，吨熟料氨水（浓度20%）消耗量6.6 kg/t。为达到排放要求和降低氨水消耗量，拟采用三次风管抬高及分风、C4下料管分料及燃烧器分煤技术改造。

1　分级燃烧原理

煤燃烧过程中产生的NOx主要为热力型NOx、燃料型NOx以及快速型NOx。分解炉内总体温度较低，主要考虑燃料型NOx的生成及其转化规律。

分级燃烧技术是在分解炉锥部空间建立脱硝还原燃烧区，形成缺氧燃烧环境以便产生CO、CH₄、H₂、HCN等还原剂。这些还原剂与窑尾烟气中的NOx发生反应，将NOx还原成N₂等无污染的惰性气体。此外，分解炉中的煤粉在缺氧条件下燃烧，也抑制了自身燃烧型NOx的产生，从而抑制水泥生产过程中NOx的产生。

2.分级燃烧改造方案
2.1.三次风管改造

受预热器斜撑干涉和分解炉支撑平台裙支座影响，三次风管入涡流室前段抬高约1.4 m，进预热器塔架后再斜向上抬高约1.3 m进涡流室，涡流室壳体相应上移2.7 m，直筒部分增加2.7 m高度，同时割除分解炉锥部上方至预热器2L平台2.7 m高直筒；三次风管分风至分解炉中部缩口下方3 m左右，采用Φ2 m的风管，增加一台分风闸板阀，分解炉改为固碳脱硝区（新增还原区）和燃尽区2个区，同时增大还原区炉容，增加气体在还原区停留时间。三次风管技改示意见图1。

图1　三次风管改造

2.2　C4下料管改造

将原C4下料管分成两路，一路进涡流室进风口上端，一路进涡流室锥部，使生料能进入还原区，利用生料分料控制炉内温度，改造示意见图2。

图2　C4下料管改造

2.3　燃烧器改造

燃烧器改造示意见图3。原燃烧器分两层四路进涡流室，一层至涡流室蜗壳顶部，一层进涡流室锥部。现取消涡流室锥部燃烧器，保留上部燃烧器，新增两层四路燃烧器至涡流室锥体底部，即涡流室至烟室膨胀节直段处，同时四根燃烧器水平面360均布，煤粉以30 m/s左右的速度喷射进入炉体，延长化学反应时间，保证煤粉在贫氧环境下燃烧形成还原气氛，还原NOx。

图3　燃烧器改造

3　计算模拟对比

通过计算分析，在熟料产量3?800 t/d不变情况下，气化还原区由68.44 m³扩大到141 m³，相应的气体停留时间由0.68 s增至1.41 s。改造前分解炉只有一个燃尽区，炉容为1?296 m³，气体停留时间5.09 s；改造后分为2个区，固碳脱硝区炉容202 m3，气体停留时间0.79 s，燃尽区炉容1?023 m3，气体停留时间4.02 s，相比改造前炉容减少71 m3，燃尽区停留时间虽减少1.07 s，但是分解炉中部有缩口，而且三次风旋切入炉，实际气体停留时间会稍长，能满足煤粉的充分燃烧。后续可根据实际情况再抬高鹅颈管增加燃尽区炉容。具体计算模拟结果见图4。

改造前

改造后

图4　计算对比

4　改造效果

该公司在2022年初大修期间按照上述方案对系统进行分级燃烧改造，总用时30 d，总成本约650万元。在同等产量下，改造后NOx排放浓度可控制在100 mg/Nm3以内（86 mg/m3左右），相比改造前大幅下降；同时氨水消耗量可控制在4 kg/t，相比改造前下降40%。今年5月采用本公司自主研发的精准SNCR控制系统，氨水消耗量降至3.5 kg/t以内。通过分风试验，当分风闸阀开度在20%左右时效果最佳，分风再多无明显变化。经核算烟室缩口结皮相比改造前稍有增多，生产时应关注。氨水成本按照600元/t计算，生产时间按300 d计算，一年可节约成本212万元左右。

通过此次分级燃烧改造，既满足了超低排放要求，又降低了氨水使用成本，达到了技改目标。