淺談分解爐分級(jí)燃燒改造的設(shè)計(jì)與調(diào)試

  摘要：分級(jí)燃燒技術(shù)是一項(xiàng)無需運(yùn)行成本的脫硝技術(shù)，通過設(shè)計(jì)上的周全考慮、操作上的精心配合，能夠在不影響產(chǎn)量、質(zhì)量的情況下，穩(wěn)定地保持脫硝效率，對(duì)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(shù)。實(shí)踐證明，分級(jí)燃燒技術(shù)總體脫硝效率在25%~45%之間，平均率31%左右。改造后生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，部分技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)還有所改進(jìn)。

  預(yù)分解窯采用分級(jí)燃燒脫硝技術(shù)，是水泥工業(yè)降低氮氧化物排放的重要技術(shù)路線之一。在分級(jí)燃燒脫硝技術(shù)改造設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮脫硝效率，又要保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止系統(tǒng)結(jié)皮和塌料現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)，在生產(chǎn)調(diào)試和操作配合上也非常關(guān)鍵。該技術(shù)通過海螺集團(tuán)數(shù)十條生產(chǎn)線的改造實(shí)踐，總體脫硝效率在25%~45%之間，平均效率31%左右，改造后生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，部分技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)還有所改進(jìn)。本文就分解爐分級(jí)燃燒改造的設(shè)計(jì)及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)作一介紹，以供參考。

  1 改造內(nèi)容及設(shè)計(jì)思想

  1.1 改造原理及主要改造內(nèi)容

  分解爐分級(jí)燃燒技術(shù)主要有空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒，本文主要介紹燃料分級(jí)燃燒。該技術(shù)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(nèi)，使其缺氧燃燒以便產(chǎn)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(yīng)，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(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的NO_x減排。

  本文介紹的分級(jí)燃燒技術(shù)改造工作量小，停窯時(shí)間短，主要有兩個(gè)部分，一是對(duì)分解爐喂煤點(diǎn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和布置，相應(yīng)地對(duì)窯尾煤粉輸送管道（窯尾塔架內(nèi)部分）進(jìn)行改造；二是對(duì)窯尾煙室入爐風(fēng)速進(jìn)行重新平衡和設(shè)計(jì)，相應(yīng)地對(duì)窯尾煙室縮口及分解爐錐部形狀和耐火材料進(jìn)行改造；此外，根據(jù)以上兩部分的改造內(nèi)容和各生產(chǎn)線的具體情況，考慮對(duì)分解爐C4下料形式、三次風(fēng)入爐風(fēng)口形式等進(jìn)行調(diào)整，以配合整體改造和運(yùn)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(shè)計(jì)思想

  在技術(shù)改造方案上，我們著重考慮技改工作量、脫硝效率、結(jié)皮、塌料等因素，具體如下：

  （1）分解爐燃燒器分上下兩層四點(diǎn)布置，在分解爐錐部空間較小的區(qū)域構(gòu)建脫硝還原區(qū)，煤粉多點(diǎn)進(jìn)入，增加了煤粉在分解爐內(nèi)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?jī)蓚€(gè)燃燒器旋轉(zhuǎn)對(duì)稱布置，在錐部形成旋轉(zhuǎn)的燃燒流場(chǎng)，利于脫硝還原區(qū)的形成。在燃燒器位置、旋轉(zhuǎn)角度和煤粉量大小上，充分考慮分解爐錐部的斷面熱負(fù)荷，避免還原區(qū)產(chǎn)生高溫而引起結(jié)皮。

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

  （4）調(diào)整三次風(fēng)入爐的形狀、面積大小，以適當(dāng)?shù)娜霠t角度、風(fēng)速提供助燃空氣。

  （5）在分解爐錐部與上升煙道交界處設(shè)置了揚(yáng)料凸臺(tái)，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(xiàn)象的發(fā)生。

  （6）開發(fā)了適合分解爐分級(jí)燃燒的專用燃燒器，燃燒器出口煤粉以旋流形式及適當(dāng)?shù)乃俣葒姵?，配合了分解爐的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的形成。

  （7）窯尾煤粉管道的改造布置簡(jiǎn)潔、操作調(diào)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(gè)煤粉分料閥均處于中間位置，即可實(shí)現(xiàn)分解爐上下部煤粉的喂入比例（上40%:下60%），一般調(diào)試過程中只需對(duì)煤粉分料閥進(jìn)行微調(diào)或不調(diào)。

  （8）在工藝操作上要配合分級(jí)燃燒的總體改造思路，分配好三次風(fēng)和窯風(fēng)的比例，盡量降低窯內(nèi)通風(fēng)，同時(shí)，控制系統(tǒng)用風(fēng)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(shù)值模擬技術(shù)對(duì)改造方案進(jìn)行優(yōu)化

  在設(shè)計(jì)開發(fā)中，我們借助CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)分解爐內(nèi)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、顆粒及氣體成分分布和脫硝效果進(jìn)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(gè)燃燒器，在錐部空間容易產(chǎn)生高溫而引起結(jié)皮，因此，我們通過CFD模擬，優(yōu)化調(diào)整煙室截面積及氣流速度、三次風(fēng)入爐風(fēng)速及風(fēng)向、燃燒器位置、角度與旋向等參數(shù)，盡量避免殼體邊壁產(chǎn)生高溫而引起結(jié)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(chǎng)對(duì)比（圖4）可以看出。從實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，也驗(yàn)證了基本無結(jié)皮現(xiàn)象。

  （2）從改造前后分解爐內(nèi)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(shí)，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(yùn)行調(diào)試過程

  2.1 調(diào)試時(shí)間

  主要調(diào)試工作是配合設(shè)計(jì)思想而進(jìn)行的操作優(yōu)化，一般調(diào)試過程只需3天左右時(shí)間。但中控操作人員真正適應(yīng)改造后的變化，理解和掌握改造后的操作優(yōu)化要領(lǐng)，還有一個(gè)適應(yīng)過程。

  2.2 調(diào)試步驟

  （1）第一天：按照改前操作經(jīng)驗(yàn)正常滿負(fù)荷運(yùn)行，觀察中控操作參數(shù)的變化。點(diǎn)火投產(chǎn)前，現(xiàn)場(chǎng)將3個(gè)煤粉分配器（三通閥）的擋板均調(diào)至中間位置（此時(shí)上部2個(gè)燃燒器與下部2個(gè)燃燒器的燃煤比例是40%∶60%，上部2個(gè)燃燒器的用煤量相同，下部2個(gè)燃燒器的用煤量也相同。根據(jù)改造前的正常操作經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)行參數(shù)等，將生料喂料量逐步增加至滿負(fù)荷。到滿負(fù)荷生產(chǎn)并穩(wěn)定運(yùn)行后，記錄預(yù)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(shù)變化情況。

  （2）第二天：調(diào)整高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及窯內(nèi)風(fēng)與三次風(fēng)比例，以進(jìn)一步降低預(yù)熱器出口NOx含量。改造后在三次風(fēng)擋板開度不變的情況下，預(yù)熱器出口O2含量會(huì)上升，首先降低高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，將預(yù)熱器出口O2含量控制在2%左右。在降低窯尾高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速后，逐步地增加三次風(fēng)擋板開度，降低窯內(nèi)空氣過剩系數(shù)，控制窯尾煙室O2含量小于3.0%，同時(shí)調(diào)整高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以控制預(yù)熱器出口O2含量在2%以內(nèi)。為防止燒成帶因窯內(nèi)用風(fēng)變小而縮短了燒成帶長(zhǎng)度，可適當(dāng)?shù)靥Ц吒G頭燃燒器位置（借助窯尾溫度和筒體掃描儀等參數(shù)），以保持原燒成帶的長(zhǎng)度，防止跑生料。三次風(fēng)擋板開度以不造成窯內(nèi)欠氧和產(chǎn)生黃心料為原則。

  （3） 第三天：調(diào)整分解爐上下部燃燒器的喂煤比例，進(jìn)一步提高脫硝效率。通過以上兩條的操作和調(diào)試后，若想進(jìn)一步提高分級(jí)燃燒的脫硝效率，則可通過調(diào)整增加下部?jī)蓚€(gè)燃燒器的喂煤比例，但調(diào)整幅度不宜過大。過大，一方面會(huì)導(dǎo)致窯尾煤粉輸送管道阻力增加，送煤羅茨風(fēng)機(jī)出口壓力上升；另一方面，可能會(huì)使分解爐錐部斷面熱負(fù)荷過大而產(chǎn)生高溫結(jié)皮問題。一般下部?jī)蓚€(gè)燃燒器的喂煤比例可從60%逐漸調(diào)整至65%，最多不超過70%為宜。

  3 結(jié)束語(yǔ)

  改造后脫硝效率一般在30%左右。要進(jìn)一步提高和穩(wěn)定脫硝效率，改造后的調(diào)試及操作優(yōu)化比較重要，需要操作人員領(lǐng)會(huì)改造思想，適應(yīng)改造后的精細(xì)化操作要求。總結(jié)多條生產(chǎn)線的改造調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，有如下操作要點(diǎn)供讀者參考：

  （1）根據(jù)改造后的工藝參數(shù)變化情況，需重新調(diào)整平衡各控制參數(shù)，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(yù)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(duì)窯尾煙氣進(jìn)行了整流，窯內(nèi)通風(fēng)及入爐煙氣更加穩(wěn)定，窯尾煙室負(fù)壓波動(dòng)幅度減小，這對(duì)減少窯內(nèi)用風(fēng)量和過?？諝庀禂?shù)、控制窯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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，再增加三次風(fēng)擋板開度（保持預(yù)熱器出口氧含量在2%左右）的操作方式，重新調(diào)整三次風(fēng)與窯內(nèi)通風(fēng)平衡，盡量減少窯內(nèi)過剩空氣系數(shù)和用風(fēng)量，并通過窯頭燃燒位置的適當(dāng)調(diào)整，保持原燒成帶的長(zhǎng)度。

  總之，分級(jí)燃燒技術(shù)是一項(xiàng)無需運(yùn)行成本的脫硝技術(shù)，通過設(shè)計(jì)上的周全考慮、操作上的精心配合，能夠 在不影響產(chǎn)量、質(zhì)量的情況下，穩(wěn)定地保持脫硝效率，對(duì)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(shù)。