淺談分解爐分級燃燒改造的設計與調試

  摘要：分級燃燒技術是一項無需運行成本的脫硝技術，通過設計上的周全考慮、操作上的精心配合，能夠在不影響產量、質量的情況下，穩(wěn)定地保持脫硝效率，對降低氮氧化物排放總量非常有效，是水泥行業(yè)降低氮氧化物的首選技術。實踐證明，分級燃燒技術總體脫硝效率在25%~45%之間，平均率31%左右。改造后生產運行穩(wěn)定，部分技術經濟指標還有所改進。

  預分解窯采用分級燃燒脫硝技術，是水泥工業(yè)降低氮氧化物排放的重要技術路線之一。在分級燃燒脫硝技術改造設計時，既要考慮脫硝效率，又要保證生產的穩(wěn)定運行，防止系統(tǒng)結皮和塌料現象的產生，同時，在生產調試和操作配合上也非常關鍵。該技術通過海螺集團數十條生產線的改造實踐，總體脫硝效率在25%~45%之間，平均效率31%左右，改造后生產運行穩(wěn)定，部分技術經濟指標還有所改進。本文就分解爐分級燃燒改造的設計及調試經驗作一介紹，以供參考。

  1 改造內容及設計思想

  1.1 改造原理及主要改造內容

  分解爐分級燃燒技術主要有空氣分級燃燒和燃料分級燃燒，本文主要介紹燃料分級燃燒。該技術是在分解爐錐部空間建立脫硝還原燃燒區(qū)，將原分解爐用煤的一部分均布到該區(qū)域內，使其缺氧燃燒以便產生CO、CH₄、H₂、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NO_x發(fā)生反應，將NO_x還原成N₂等無污染的惰性氣體。此外，分解爐中的煤粉在缺氧條件下燃燒，也抑制了自身燃料型NO_x產生，從而實現水泥生產過程中的NO_x減排。

  本文介紹的分級燃燒技術改造工作量小，停窯時間短，主要有兩個部分，一是對分解爐喂煤點進行重新設計和布置，相應地對窯尾煤粉輸送管道（窯尾塔架內部分）進行改造；二是對窯尾煙室入爐風速進行重新平衡和設計，相應地對窯尾煙室縮口及分解爐錐部形狀和耐火材料進行改造；此外，根據以上兩部分的改造內容和各生產線的具體情況，考慮對分解爐C4下料形式、三次風入爐風口形式等進行調整，以配合整體改造和運行效果。

  窯尾煤管改造及分解爐改造見圖1～3。

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  1.2 改造方案的主要設計思想

  在技術改造方案上，我們著重考慮技改工作量、脫硝效率、結皮、塌料等因素，具體如下：

  （1）分解爐燃燒器分上下兩層四點布置，在分解爐錐部空間較小的區(qū)域構建脫硝還原區(qū)，煤粉多點進入，增加了煤粉在分解爐內的燃燒空間，保證了分解爐出口煤粉能充分燃燒。

  （2）分解爐錐部兩個燃燒器旋轉對稱布置，在錐部形成旋轉的燃燒流場，利于脫硝還原區(qū)的形成。在燃燒器位置、旋轉角度和煤粉量大小上，充分考慮分解爐錐部的斷面熱負荷，避免還原區(qū)產生高溫而引起結皮。

  （3）對窯尾煙室縮口、上升煙道及分解爐錐部進行整形改造，上升煙道及錐部采用方變圓結構，并延長上升氣流的路徑。方變圓結構可有效地減弱分解爐錐體內部的旋流運動，保證不造成大量的生料或煤粉顆粒被旋流運動造成的下旋而帶到分解爐錐體縮口處，確保不產生塌料、串料入窯的現象。這樣的考慮，對提高煤粉燃燒速度、燃燒效率都是有利的。

  （4）調整三次風入爐的形狀、面積大小，以適當的入爐角度、風速提供助燃空氣。

  （5）在分解爐錐部與上升煙道交界處設置了揚料凸臺，以利于物料的分散及與氣流、煤粉的混合，并避免生料塌料現象的發(fā)生。

  （6）開發(fā)了適合分解爐分級燃燒的專用燃燒器，燃燒器出口煤粉以旋流形式及適當的速度噴出，配合了分解爐的流場、溫度場的形成。

  （7）窯尾煤粉管道的改造布置簡潔、操作調整便利。上下兩層煤粉管徑已考慮了使用比例，正常情況下，三個煤粉分料閥均處于中間位置，即可實現分解爐上下部煤粉的喂入比例（上40%:下60%），一般調試過程中只需對煤粉分料閥進行微調或不調。

  （8）在工藝操作上要配合分級燃燒的總體改造思路，分配好三次風和窯風的比例，盡量降低窯內通風，同時，控制系統(tǒng)用風量，以利于還原區(qū)的形成和脫硝效果的穩(wěn)定。

  1.3 利用CFD數值模擬技術對改造方案進行優(yōu)化

  在設計開發(fā)中，我們借助CFD數值模擬技術對分解爐內的溫度場、流場、顆粒及氣體成分分布和脫硝效果進行模擬分析，優(yōu)化完善改造方案。

  （1）由于分解爐錐部增加了兩個燃燒器，在錐部空間容易產生高溫而引起結皮，因此，我們通過CFD模擬，優(yōu)化調整煙室截面積及氣流速度、三次風入爐風速及風向、燃燒器位置、角度與旋向等參數，盡量避免殼體邊壁產生高溫而引起結皮，將高溫區(qū)域引向分解爐中間區(qū)域，這從改造前后的溫度場對比（圖4）可以看出。從實際生產運行中，也驗證了基本無結皮現象。

  （2）從改造前后分解爐內CO濃度模擬（圖5）顯示：在分解爐錐部4 m左右高度位置形成了高濃度的CO還原區(qū)域，同時，分解爐主爐出口部位改造后的NO含量明顯下降（圖6）。

  2  試運行調試過程

  2.1 調試時間

  主要調試工作是配合設計思想而進行的操作優(yōu)化，一般調試過程只需3天左右時間。但中控操作人員真正適應改造后的變化，理解和掌握改造后的操作優(yōu)化要領，還有一個適應過程。

  2.2 調試步驟

  （1）第一天：按照改前操作經驗正常滿負荷運行，觀察中控操作參數的變化。點火投產前，現場將3個煤粉分配器（三通閥）的擋板均調至中間位置（此時上部2個燃燒器與下部2個燃燒器的燃煤比例是40%∶60%，上部2個燃燒器的用煤量相同，下部2個燃燒器的用煤量也相同。根據改造前的正常操作經驗、運行參數等，將生料喂料量逐步增加至滿負荷。到滿負荷生產并穩(wěn)定運行后，記錄預熱器出口、分解爐、窯尾煙室等各部位的溫度、壓力、氣體成分等參數變化情況。

  （2）第二天：調整高溫風機轉速及窯內風與三次風比例，以進一步降低預熱器出口NOx含量。改造后在三次風擋板開度不變的情況下，預熱器出口O2含量會上升，首先降低高溫風機轉速，將預熱器出口O2含量控制在2%左右。在降低窯尾高溫風機轉速后，逐步地增加三次風擋板開度，降低窯內空氣過剩系數，控制窯尾煙室O2含量小于3.0%，同時調整高溫風機轉速，以控制預熱器出口O2含量在2%以內。為防止燒成帶因窯內用風變小而縮短了燒成帶長度，可適當地抬高窯頭燃燒器位置（借助窯尾溫度和筒體掃描儀等參數），以保持原燒成帶的長度，防止跑生料。三次風擋板開度以不造成窯內欠氧和產生黃心料為原則。

  （3） 第三天：調整分解爐上下部燃燒器的喂煤比例，進一步提高脫硝效率。通過以上兩條的操作和調試后，若想進一步提高分級燃燒的脫硝效率，則可通過調整增加下部兩個燃燒器的喂煤比例，但調整幅度不宜過大。過大，一方面會導致窯尾煤粉輸送管道阻力增加，送煤羅茨風機出口壓力上升；另一方面，可能會使分解爐錐部斷面熱負荷過大而產生高溫結皮問題。一般下部兩個燃燒器的喂煤比例可從60%逐漸調整至65%，最多不超過70%為宜。

  3 結束語

  改造后脫硝效率一般在30%左右。要進一步提高和穩(wěn)定脫硝效率，改造后的調試及操作優(yōu)化比較重要，需要操作人員領會改造思想，適應改造后的精細化操作要求?？偨Y多條生產線的改造調試經驗，有如下操作要點供讀者參考：

  （1）根據改造后的工藝參數變化情況，需重新調整平衡各控制參數，建議窯尾煙室氧含量控制＜3.0%，分解爐出口氧含量控制在1.5%左右，預熱器出口氧含量控制在2.0%左右，脫硝效果較好。

  （2）煙室縮口的改造，對窯尾煙氣進行了整流，窯內通風及入爐煙氣更加穩(wěn)定，窯尾煙室負壓波動幅度減小，這對減少窯內用風量和過?？諝庀禂怠⒖刂聘G尾煙室氧含量提供了一定的操作空間。

  （3）通過先降低高溫風機轉速，再增加三次風擋板開度（保持預熱器出口氧含量在2%左右）的操作方式，重新調整三次風與窯內通風平衡，盡量減少窯內過剩空氣系數和用風量，并通過窯頭燃燒位置的適當調整，保持原燒成帶的長度。

  總之，分級燃燒技術是一項無需運行成本的脫硝技術，通過設計上的周全考慮、操作上的精心配合，能夠 在不影響產量、質量的情況下，穩(wěn)定地保持脫硝效率，對降低氮氧化物排放總量非常有效，是水泥行業(yè)降低氮氧化物的首選技術。