分级燃烧技术在5 000t/d熟料生产线的应用实践
2022-03-28黄彬孙文博
黄彬,孙文博
1 前言
随着环保形势的日益严峻,NOX排放成为水泥行业重点管控指标之一。新型干法水泥窑因烧结温度高、过剩空气量大,使其NOX排放浓度高且排放量大,脱硝工作面临着艰巨的挑战。目前,水泥厂大多采用选择性非催化还原(SNCR)技术控制水泥窑炉NOX的排放,但SNCR 技术脱氮效率低,日常运行费用高,给企业增加了较重的经济负担。
我公司5 000t/d水泥熟料生产线采用SNCR技术脱硝。在正常生产情况下,水泥窑烟气NOX排放要求<100mg/Nm3(10%O2)时,氨水(浓度20%)用量约8.3kg/t.cl,熟料生产成本较高,氨逃逸对环境造成污染。在水泥窑脱硝过程中,氨水中的大部分水分被窑尾废气蒸发,会产生一定的蒸发热,使得煤耗增加;同时,水分随高温气流在热工设备中流动,会造成高温风机、窑尾排风机设备本体及其管道的腐蚀,以及袋收尘器的收尘袋结露等问题。这些问题不仅会严重影响熟料的正常生产,造成临时停窑停产,还会增加日常维护和停窑检修工作的时长与人工成本。
为消除脱硝不利造成的不良影响,我公司决定采用低氨分级燃烧技术,利用生产线的例行停窑检修时间对脱硝系统进行技术改造。改造以SNCR脱硝技术为基础,利用煤粉所带水分与煤粉气化所产生的水煤气、燃煤产生的CHi、CO、生料粉等还原物质,与烟气中的NOX反应,降低NOX的浓度,从而减少SNCR脱硝时的氨水用量。技改后,该生产线不仅降低了生产成本、满足了NOX排放要求,同时由于氨水用量的降低,减少了热耗,减弱了NOX对后续余热发电、生料制备、废气处理等系统的设备腐蚀,降低了收尘器糊袋概率,也减少了氨逃逸,提高了生产线的产能利用率。
2 工作原理
2.1 水泥窑氮氧化物(NOX)的生成机理
水泥生产排放的氮氧化物(NOx)主要为NO和少量的NO2,其中NO 占95%以上。水泥窑烟气脱硝是通过向分解炉内喷入大量还原剂NH3·H2O,以实现环保达标。水泥窑氮氧化物的形成机理如下:
(1)热力型NOX的形成。热力型NOX是空气中的N2在高温下氧化而产生的NOX。热力型NOX的产生量主要取决于反应温度,反应温度达1 300℃以上时,NOX随着温度的不断升高而成倍数大量生成。化学反应方程式如下:
(2)燃料型NOX的形成。燃料型NOX是燃料中的含氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成的NOX。
(3)快速型NOX的形成。快速型NOX是空气中的N2与燃料中的碳氢基团(CH、CH2等)在反应区附近快速生成的NOX,其生成量较少,一般占NOX总量的5%以下。
2.2 分级燃烧技术工作原理
煤粉在贫氧高温环境下产生CO,煤粉中<2%的水分在高温下产生水煤气,通过优化分解炉煤粉燃烧系统、三次风管、C4 下料管等,在分解炉锥体部位建立还原剂产生区、NOX还原区。
(1)还原剂产生区工作原理
煤粉利用无焰燃烧器均匀喷至贫氧燃烧区内,煤粉在高温贫氧条件下,产生CO 还原剂,煤粉中<2%的水分在高温无氧条件下与碳反应生成CO、H2还原剂,煤挥发分在高温下析出CH4、HCN 等还原剂。化学反应方程式如下:
挥发分析出CH4、HCN。
(2)NOx还原区工作原理
在热生料调节温度及催化作用下,窑尾烟气中的 NOx 在还原区内与 CO、H2、CH4、HCN 等还原剂发生反应,将NOX还原成无污染的惰性气体N2。此外,少量的碳在缺氧条件下将NO 还原成N2,并且抑制自身燃料型NOx 的产生。其化学反应方程式如下:
一般情况下,NOX的还原时间为0.6s~0.8s。
3 改造关键节点
改造后的工艺流程如图1所示。
图1 改造后的工艺流程
3.1 分解炉煤粉燃烧系统技改
将4 支新贫氧燃烧器安装在分解炉锥体底部膨胀节以上合适位置,煤粉经分煤器、输煤管道进入改造后的4支新贫氧燃烧器,喷入分解炉中。改造后的窑尾煤管安装位置如图2所示,具体改造方案如下:
图2 改造后窑尾煤管安装位置
(1)拆除原有输煤管道及分煤器,更换新的输煤管道和分煤器,连接4支新贫氧燃烧器。
(2)在原主煤管合适位置安装分煤器。新改管道按照使用要求和现场位置情况,在原分煤器位置安装3个一分为二的分煤器,在合适位置制作分煤器闸阀操作平台护栏。改造后的4 根输煤管将煤粉均匀输送至4支新贫氧燃烧器。
(3)将4支新贫氧燃烧器安装于分解炉锥体底部膨胀节以上合适位置,并在同一水平面内360°均布。煤粉经燃烧器喷嘴高速进入还原区内并充分分散,在炉内形成径向扩散,在此形成的缺氧环境中燃烧产生还原物质,还原窑尾烟气中大量的NOX,脱硝效果良好。
3.2 三次风管技改及进口优化
为了使低氧还原区具有充足的反应空间,对分解炉三次风管进行上移改造,具体改造方案为:
在原三次风管进口上部、分解炉直筒部位合适位置开孔,把进入分解炉的三次风管上移,使其均匀抬高合适的高度;将三次风管与分解炉上新开的开口对接;封闭原分解炉上三次风进口,形成新的三次风通道;优化三次风管进入分解炉部分,使三次风平滑切入分解炉内。
3.3 C4下料管技改
C4 下料管中的生料,通过分料阀进入分解炉的不同位置,可以达到调节分解炉锥体温度,防止高温结皮现象的产生。同时,部分物料进入改造的低氧还原区后,可以利用生料中氧化钙等碱金属氧化物对煤焦及煤粉的催化作用,还原窑炉内生成的NOX。挥发分含量越高的煤,生料对还原NOX的催化作用越强。根据原系统的运行状况,对原C4 下料管下料位置进行改造,具体改造方案为:
随三次风进口位置的变化,调整三次风管上部的C4 撒料盒安装位置,将另外两个撒料盒中的一个上提至合适的位置,将另一个撒料盒安装在分解炉直筒的底部。撒料盒全部更换为可在线控制阀板角度的可调式撒料盒。改造后三次风管、C4 下料管安装位置如图3所示。
图3 改造后三次风管、C4下料管安装位置
可调式撒料盒可以在线调整扬料板,使物料分散更均匀,反应更充分,增强了氮氧化物与还原剂的反应效果,降低了系统塌料风险。可调式撒料盒如图4所示。
图4 可调式撒料盒示意图
3.4 SNCR喷枪系统技改
在C5 旋风筒合适部位共安装12 支脱硝喷枪,将氨水及雾化所需要的压缩空气从原脱硝系统控制柜内引出,控制系统保持不变。脱硝喷枪安装位置如图5所示。
图5 脱硝喷枪安装位置
4 改造后的操作要点
(1)对水泥窑系统采取精细化操作,优化回转窑系统热工制度,保持适宜煅烧温度,确保生料、燃料喂料量均匀稳定。
(2)严格控制系统用风,在不影响熟料质量的前提下,尽量降低空气过剩系数,将空气过剩系数控制在1.05 以内。确保窑尾烟室O2含量≤3%,但也要保证窑头煤粉完全燃烧,窑内不能出现还原气氛,否则易形成黄心料。如果窑尾烟室氧含量偏高,可以适当抬高三次风闸板,保证窑尾烟室氧含量在合理范围内,否则还原区形成不好,氨水的消耗量会增加。
(3)烧成带温度过高对减少热力型NOx 不利,在保证质量的前提下,可以通过调整配料、添加外加剂等方法合理控制烧成温度,减少窑内热力型NOX的形成。
(4)对全系统进行密封堵漏,防止漏风,避免喷入的煤粉在过氧条件下燃烧,出现高温结皮,进而影响脱硝效率及系统燃烧的正常运行。
(5)进一步调整喷煤量、C4分料量及三次风用量,找出三者之间的最佳匹配量。我公司实践表明,分解炉出口温度不宜过高,不然会造成窑尾频繁结皮。改造后,我公司确定的最佳控制参数为:分解炉出口温度在860℃~870℃,窑头煤与窑尾煤的比例在4.2:5.8~4.5:5.5,C4 下料管中生料100%经上提之后再下料,三次风闸板开度45%。
5 改造效果
(1)改造后,在正常生产情况下,水泥窑烟气NOX排放要求<100mg/Nm3时,氨水(浓度20%)用量约4.1kg/t.cl,氨水用量较技改前节省50%以上,节氨效果显著。
(2)改造前,生产线氨逃逸浓度平均值为1.71mg/Nm3,≯8mg/Nm3合格率93.42%;改造后,生产线氨逃逸浓度平均值为0.27mg/Nm3,≯8mg/Nm3合格率100%。
(3)改造后,运行参数更加优化,系统运行期内,产品质量稳定性提升,对原SNCR 脱硝喷氨系统及生产线运行无负面影响。
(4)改造前,熟料游离氧化钙合格率86.2%(游离氧化钙控制指标≤1.5%),3d 抗压强度29.3MPa,28d 抗压强度57.4MPa,窑产量232.2t/h。改造后,熟料游离钙合格率85.6%(游离氧化钙控制指标≤1.5%),3d 抗 压 强 度 28.9MPa,28d 抗 压 强 度57.2MPa,窑产量231.7t/h。改造前后上述指标变化不大,改造对窑系统产质量基本无影响。
(5)本次技术改造无二次污染,没有污染物或副产物生成。
6 结语
在降低氮氧化物排放的改造中,采取以增加分解炉还原区、延长还原反应时间为主,以分散物料、提高反应效率为辅的思路,改造过程简单,后期运行费用低。生产实践显示,分级燃烧低氨脱硝技术可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。