水泥窑分级燃烧与SNCR复合脱硝应用实例

田立柱，李寅明，刘鹏飞，郝利炜，王图强，陈晓东

（1.北京金隅股份有限公司，北京 100013；2.固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100041）

0 引 言

2015年2月15日河北省发布新的地方标准《水泥工业大气污染物排放标准》，地方标准中规定现有水泥窑氮氧化物排放限值为260mg/Nm3，并于2015年7月1日执行。

本项研究的目标企业是河北金隅鼎鑫水泥有限公司三分公司。该公司是一条5500t/d生产线，二档短回转窑，分解炉为TTF炉。据统计，在2014年10月之前，三公司水泥窑氮氧化物排放浓度为310mg/Nm3，氨水用量为22L/min～24L/min，且SNCR系统已经达到喷氨量极限。通过2014年金隅集团项目《高能效低氮燃烧预热分解系统开发及应用》的研究成果在三公司实施，至2015年1月三公司水泥窑氮氧化物排放浓度为284mg/Nm3，氨水用量为21L/min，完成了2014年集团项目的考核指标。但面对2015年7月1日执行新的大气排放标准，其氮氧化物排放浓度将不能满足新标准的要求，急需研究新技术并进行技术改进升级。

鼎鑫三分公司与集团研究院成立了技术攻关课题组，经过多次现场调研分析、技术沟通，确定了研究技术路线，开展了相关研究并提出技术改进方案，完成了开发设计。通过对空气分级燃烧和燃料分级燃烧组合创新技术开发，结合SNCR技术组合工艺，大幅度降低窑尾烟囱氮氧化物的排放浓度。

1 项目实施及效果

1.1 项目实施前现状

该项目实施的5500t/d生产线，熟料实际产量为6300t/d～6500t/d，分解炉为在线三喷腾DD型分解炉，分解炉为三段炉体带鹅颈管。在项目实施前水泥窑尾氮氧化物排放浓度水平为284mg/Nm3，氨水用量为21L/min（氨水浓度为21%，因项目实施后氨水浓度发生波动，为便于对比分析，也折算至21%进行计算）。原有系统带有三次风分级脱硝系统，但几乎无脱硝效果。

1.2 项目实施内容

（1）热工测试反求分析。

该公司预分解系统带有一套空气分级燃烧系统，但在使用过程中脱硝效果不佳，虽经过多次调整但几乎没有脱硝效果。为了找出现有空气分级系统存在的问题，准确掌握空气分级燃烧系统的还原区停留时间，项目组对烧成系统进行了热工测试，通过反求计算得到了烧成系统的隐参数（见表1和表2）。根据原有的分解炉结构参数和空气分级设计图纸，计算得到原有空气分级燃烧的还原区时间约为1.58s，这较通常要求的还原区停留时间2.5s～4.5s存在着差距。

表1 分解炉系统各部位流量计算

表2 分解炉系统各部位隐参数计算

（2）空气分级改进设计。

由于原有空气分级系统的还原区停留时间为1.58s，还原区停留时间较短，CO还原NOx的反应时间不足。通过对该公司所用的煤的热值、挥发分和固定碳含量的工业分析，以及煤的燃烧特性分析，所得结论是需将还原区停留时间延长至2.5s以上，保证较为充分的还原区停留时间，方可取得较高效率的氮氧化物减排效果。

图1 空气分级燃烧系统工艺设计图

实际设计的结果是通过三次风分级管道向分解炉上部延伸，延长了还原区停留时间，达到了2.5s以上。结合工厂原有空气分级的管道直径和分解炉的结构、烟气在还原区的气体停留时间进行分析计算，完成了空气分级的工艺设计（见图1和图2）。

（3）燃料后燃分级燃烧。

根据燃料分级再燃脱硝机理，按照最大分煤比例占分解炉总用煤25%计算，入分解炉煤粉管道风速28m/s，确定了燃料后燃系统的设计方案，具体设计见图3。

1.3 项目实施效果

通过对空气分级系统和分解炉燃料系统进行设计改进，并对现场进行实施改造，在调试过程中对各项运行参数的范围进行摸索，最终确定了各项参数的理想范围。表3为系统调试结果。

表3 系统调试结果

在保证熟料产量、熟料质量不受影响的前提下，主要对三次风分级燃烧上脱氮管闸板开度、燃料后燃分煤器开度经过调试得到了各项参数的最佳范围，三次风分级脱硝管开度为35%～45%，煤粉后燃分煤器开度为15%左右。

图2 空气分级燃烧改造现场实施图片

图4和图5是同一时间段连续8d统计的氮氧化物排放浓度和氨水消耗量数据。由图4可知0～136h时氮氧化物的排放浓度能够稳定在230mg/Nm3，且大多在180mg/Nm3左右，结合图5可以看出，在对应时间段内氨水的流量均在20L/min以下；在136h～192h时氮氧化物的排放浓度能够稳定在200mg/Nm3以下，对应时间段内氨水的流量均在18.5L/min以下。通过上述实验结果可以看出，经改造后系统能够实现氮氧化物排放浓度低于230mg/Nm3、氨水流量低于20L/min的目标。这期间，熟料产质量没有下降，热耗没有上升，窑况运行稳定。

图3 燃料后燃分级燃烧系统工艺设计图

图4 水泥窑尾环保监测点氮氧化物的排放浓度（mg/Nm3）

图5 氨水用量（L/min）

2 总 结

（1）通过对该公司原有的三次风分级系统进行改造，并增设燃料分级系统，经过调试后系统能够稳定运行，形成了三次风分级+燃料分级+SNCR脱硝技术相结合的复合脱硝技术，且未对熟料产量、熟料质量、热耗以及窑况产生影响。

（2）调整优化后三次风分级脱硝管开度为35%～45%，煤粉后燃分煤器开度为15%左右。

（3）改造后系统能够实现氮氧化物排放浓度低于230mg/Nm3、氨水流量低于20L/min的目标，工况稳定时可达到氮氧化物排放浓度低于200mg/Nm3、氨水流量低于18.5L/min的水平。