淺談分解爐分級燃燒改造的設(shè)計與調(diào)試

  摘要：分級燃燒技術(shù)是一項無需運行成本的脫硝技術(shù)，通過設(shè)計上的周全考慮、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)。實踐證明，分級燃燒技術(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。在分級燃燒脫硝技術(shù)改造設(shè)計時，既要考慮脫硝效率，又要保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運行，防止系統(tǒng)結(jié)皮和塌料現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時，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)。本文就分解爐分級燃燒改造的設(shè)計及調(diào)試經(jīng)驗作一介紹，以供參考。

  1 改造內(nèi)容及設(shè)計思想

  1.1 改造原理及主要改造內(nèi)容

  分解爐分級燃燒技術(shù)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(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，從而實現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的NO_x減排。

  本文介紹的分級燃燒技術(shù)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(jìn)行重新設(shè)計和布置，相應(yīng)地對窯尾煤粉輸送管道（窯尾塔架內(nèi)部分）進(jìn)行改造；二是對窯尾煙室入爐風(fēng)速進(jìn)行重新平衡和設(shè)計，相應(yīng)地對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）分解爐錐部兩個燃燒器旋轉(zhuǎn)對稱布置，在錐部形成旋轉(zhuǎn)的燃燒流場，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(chǎn)生塌料、串料入窯的現(xiàn)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(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(xiàn)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(dāng)?shù)乃俣葒姵?，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(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，三個煤粉分料閥均處于中間位置，即可實現(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，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)對改造方案進(jìn)行優(yōu)化

  在設(shè)計開發(fā)中，我們借助CFD數(shù)值模擬技術(shù)對分解爐內(nèi)的溫度場、流場、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對比（圖4）可以看出。從實際生產(chǎn)運行中，也驗證了基本無結(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，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(diào)試過程

  2.1 調(diào)試時間

  主要調(diào)試工作是配合設(shè)計思想而進(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)驗正常滿負(fù)荷運行，觀察中控操作參數(shù)的變化。點火投產(chǎn)前，現(xiàn)場將3個煤粉分配器（三通閥）的擋板均調(diào)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(jù)改造前的正常操作經(jīng)驗、運行參數(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)一步提高分級燃燒的脫硝效率，則可通過調(diào)整增加下部兩個燃燒器的喂煤比例，但調(diào)整幅度不宜過大。過大，一方面會導(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。一般下部兩個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

  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)會改造思想，適應(yīng)改造后的精細(xì)化操作要求?？偨Y(jié)多條生產(chǎn)線的改造調(diào)試經(jīng)驗，有如下操作要點供讀者參考：

  （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)壓波動幅度減小，這對減少窯內(nèi)用風(fēng)量和過剩空氣系數(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?？諝庀禂?shù)和用風(fēng)量，并通過窯頭燃燒位置的適當(dāng)調(diào)整，保持原燒成帶的長度。

  總之，分級燃燒技術(shù)是一項無需運行成本的脫硝技術(shù)，通過設(shè)計上的周全考慮、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)。