分解爐分級燃燒減排NOx的新發(fā)現(xiàn)

　　1、引言
　　水泥工業(yè)面對環(huán)保要求和二次燃料利用不斷提高的背景，需要使用既經(jīng)濟(jì)又高效的方法來降低NOx的排放量。分級燃燒工藝看來尤其適宜這一要求。但是，它只能用于裝備有分解爐和單獨(dú)的三次風(fēng)管道的回轉(zhuǎn)窯廠。
　　對回轉(zhuǎn)窯實(shí)施分級燃燒的操作者來說，重要的是要清楚在生產(chǎn)過程中的影響變量，以便能最大限度地降低NOx。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，對NOx削減率強(qiáng)烈地依賴于窯系統(tǒng)和操作方式。對于過程效率變化的原因還不十分清楚。從火電站獲得的有關(guān)分級燃燒的經(jīng)驗(yàn)，只能有限地應(yīng)用到預(yù)分解窯系統(tǒng)中，因?yàn)榉纸鉅t的分級燃燒，受到與之同時發(fā)生的石灰石煅燒吸熱反應(yīng)的嚴(yán)重影響。
　　水泥工業(yè)研究院已經(jīng)開展的研究項(xiàng)目，企圖找出在分級煅燒中對降低NOx起至關(guān)重要的工藝影響變量和化學(xué)反應(yīng)。研究的重要結(jié)果如以下所述，詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)。
　　2、研究過程
　　國際上有許多種分級煅燒的分解爐?，F(xiàn)代的低NOx分解爐在幾何構(gòu)型、燃料入口位置和優(yōu)化分級燃燒的過程監(jiān)測上都大不相同。NO的分解發(fā)生在含氧量低的還原帶。借助控制裝置能夠有選擇的分開進(jìn)入分解爐的燃料流、空氣流和生料流，正是這樣建立利于NO分解反應(yīng)的分級燃燒條件。
　　本次研究中，運(yùn)行試驗(yàn)是在配有如圖1、2所示的兩類分級燃燒、帶有分解爐的6個不同窯中進(jìn)行的。運(yùn)行設(shè)置系統(tǒng)地改變，相應(yīng)地記錄了這些改變對NOx的排放影響。整個過程中NO生成和分解反應(yīng)發(fā)生點(diǎn)和反應(yīng)發(fā)生的條件都通過精準(zhǔn)完備的NO濃度測定來進(jìn)行確定。
　　3、分解爐中過?？諝饴屎腿剂戏N類對NO分解的影響
　　從實(shí)驗(yàn)室和中間試驗(yàn)可知，分級燃燒NOx減排程度最大時，分解爐還原帶的過?？諝饴视袀€最佳值。當(dāng)高于這個值時，由于還原帶中氧氣濃度升高，導(dǎo)致NO的生成反應(yīng)加強(qiáng)；低于這個值時，還原帶內(nèi)NO的分解反應(yīng)較生成反應(yīng)有利。然而在氧氣富集的氧化帶，這些在還原帶生成的中間產(chǎn)物(CHN，NH₃等)和夾雜在其中的N又會與氧氣反應(yīng)生成NO。理論上，用煤做燃料時的最佳過剩空氣率為0.8-0.9。這也常被作為預(yù)分解爐分級燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
　　在3個預(yù)分解爐窯系統(tǒng)中生產(chǎn)每噸熟料NO質(zhì)量流增加和減少的情況，還原帶內(nèi)平衡時過?？諝饴适荖O量的增加和減少的變數(shù)。平衡過?？諝饴视杉尤氲娜剂虾涂諝饬坑?jì)算出來。根據(jù)設(shè)計(jì)，B窯的過?？諝饴什荒艿陀?.9，但A窯和C窯的過?？諝饴士梢栽O(shè)定為0.6和0.4。分級燃燒NOx減排的效果隨著過?？諝饴实慕档投龃?。使用褐煤時，這一關(guān)系變得尤為明顯。只有在A窯中使用的是煤與油焦的混合燃料時，找不到過?？諝饴蕦O有任何影響。由上述結(jié)果可知，燃料揮發(fā)分的比例和燃料的活性在此關(guān)系中起著決定性的作用。在還原帶中，燃料釋放的氮越多，降低過剩空氣率所能達(dá)到的還原反應(yīng)越完全。揮發(fā)分的含量越高，NO被碳?xì)浠衔镞€原的程度越大。在C窯中的試驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過使用磨細(xì)煤粉來提高分解爐內(nèi)NOx的減排程度。其原因可能是因?yàn)槊悍墼郊?xì)，燃料熱解時加速釋放出揮發(fā)分。
　　分解爐中分級燃燒時的最佳過?？諝饴蔬h(yuǎn)低于0.8。這個結(jié)果與火電站提供的經(jīng)驗(yàn)值相矛盾。為了找出產(chǎn)生矛盾的原因，研究人員對5個窯還原帶中的HCN和NH₃濃度分別進(jìn)行了濕法化學(xué)分析。結(jié)果表明，測得的NH，濃度隨過?？諝饴实慕档投撸@個結(jié)果與火電站提供的經(jīng)驗(yàn)值相一致。在過?？諝饴蕿?時，NH₃的濃度為50-1OOppm，在過剩空氣率很低的個別情況下，NH₃濃度會達(dá)到700ppm。而在還原帶中沒有檢測出HCN(在某些情況下還原帶中的含氧量極小，約為0.1-0.5vol.％，HCN在此環(huán)境下不會被完全氧化成NO)。因此可認(rèn)為，HCN是在燃料高溫?zé)峤鈺r才釋放出來，或者是在NO分解時形成，又大多轉(zhuǎn)化成NH₃。由于煅燒爐內(nèi)存在大量起催化作用的CaO，上述反應(yīng)很完全，因此，幾乎沒有HCN能夠到達(dá)燃盡區(qū)，因而不能在此生成NO。另外，當(dāng)燃盡區(qū)的溫度在溫度窗口范圍內(nèi)，生成的NH3促使更多的NO分解，有利于SNCR反應(yīng)，還原帶過?？諝饴实淖罴阎狄蚕鄳?yīng)地向低值移動。
　　這實(shí)際上表明，對于2型分解爐，應(yīng)限定三次風(fēng)管道和尾氣管道的尺寸，以便使過?？諝饴誓芙抵梁艿偷闹?。對于1型分解爐，應(yīng)盡可能地提高加入分解爐燃料的比例，尤其對活性燃料，如褐煤。而對A窯和C窯來說，增加入窯燃料的量是有限制的。
　　分解爐中很適合引入二次燃料，這說明也可以使用顆粒較粗的、低熱值的燃料。在分段燃燒系統(tǒng)中，在保證總熱值不變的條件下，將部分一次燃料用二次燃料替代，研究對降低NOx可能的影響。所使用的兩種不同的二次燃料的揮發(fā)分含量均在70％左右，但細(xì)度不同。在B窯中，約30％的高活性煤被較粗的二次燃料所替代，因此燃燒得較慢。燃料中又含有相當(dāng)量的氮，導(dǎo)致了NO的生成量增加，約為0.24kg NO2/t熟料(圖5)。使用不同活性的兩種燃料造成的影響是，兩種燃料轉(zhuǎn)化的比例不同，促使完全燃燒要在更高的氧含量下進(jìn)行。在C窯中，當(dāng)約30%的低活性煤被高活性的二次燃料替代時，出現(xiàn)了不同的結(jié)果。燃料中含有較高的揮發(fā)分，以及低于1.2%的氮，在過?？諝饴蕿?.5的條件下，使用二次燃料能大大地降低NOx的量，為0.2kgN02/t熟料。在過?？諝饴瘦^高的條件下，這個結(jié)果不會出現(xiàn)，原因是碳?xì)浠衔镅杆偃紵幌?，不能再分解NO。
　　4、分解爐中溫度對NO分解的影響
　　在D窯中的試驗(yàn)證明，將原料分步加入，能有效提高還原帶的溫度。溫度升高，則NO分解增多。該試驗(yàn)使用的是褐煤。一個實(shí)驗(yàn)是，將全部原料隨著三次風(fēng)和燃料一起加入還原帶的下部，測出還原帶的溫度為860℃，與沒將原料分段加入時的燃盡帶的溫度一樣。這個溫度比石灰石分解平衡溫度要稍高一些。分段喂料的操作程序是，在加入燃料約0.5秒后再加入大部分的原料。結(jié)果引起爐內(nèi)下部的溫度升高，加入燃料后測得的溫度是1170℃。在這個溫度下窯系統(tǒng)運(yùn)行不正常，能引起結(jié)皮和爐內(nèi)襯耐火材料的損壞(見下文)。
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　　D窯中CO和NO的質(zhì)量流量在分解爐內(nèi)滯留時間的變化規(guī)律。還原帶溫度升高能加速燃料的轉(zhuǎn)化。這也可以從還原帶末端測得的殘留焦炭(89%和95%)的燃盡程度看出。原料加入的方式不同，不僅導(dǎo)致了分解爐內(nèi)溫度的變化，而且能引起爐中心部位壓降和空氣在窯系統(tǒng)內(nèi)分布的變化。由于兩種作用相互抵消，盡管燃料的轉(zhuǎn)化率不同，在兩個實(shí)驗(yàn)中，還原帶的有效過?？諝饴示辉O(shè)定為1.3。NO質(zhì)量流變化曲線可看出，在加入燃料后，還原帶的溫度馬上升高，增加了NO的分解。顯然，溫度對NOx的減排有重要的影響。主要的反應(yīng)有：NO被碳?xì)浠衔锖蚇H^2-化合物還原，同時還有NO被殘余的焦炭所消耗。從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果可知，NO與CaO的還原反應(yīng)與上述反應(yīng)相比，不是主要的反應(yīng)。
　　5、其他因素對NO分解的影響
　　研究表明，分解爐內(nèi)NO的分解隨著窯尾NO濃度的增大而增加；爐入口的NO質(zhì)量流變化與爐內(nèi)NO的分解有一個近似線性的關(guān)系。這里要說明的一點(diǎn)是，即使在分解爐中NO的還原反應(yīng)增大，也只能消耗回轉(zhuǎn)窯中NO的量的一部分。因此，要達(dá)到降低NOx的目的，需將在主燃系統(tǒng)中NO的生成量控制在低范圍內(nèi)。
　　窯系統(tǒng)的測量結(jié)果表明，燃料在氣流中快速、均勻地混合是個有利因素。這證明了試驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn)：充分均勻混合對碳?xì)浠衔镞€原NO至關(guān)重要。通過在大橫截面的分解爐內(nèi)同一高度上多設(shè)燃料進(jìn)口孔，能提高燃料的均勻混合程度。將燃燒器軸心對主氣流方向傾斜也能達(dá)到目的。要使在還原帶末端的燃盡空氣混合均勻，重要的是保證在還原帶的滯留時間足夠充分，原料中的HCN能轉(zhuǎn)化成NH₃。產(chǎn)生的NH₃能在燃盡帶還原NO。在試驗(yàn)中無法系統(tǒng)地改變這些參數(shù)，因此沒法獲得有關(guān)在還原帶滯留時間和混合速率的信息。以后的研究仍需致力于優(yōu)化分級燃燒分解爐的設(shè)計(jì)。
　　對F窯的試驗(yàn)顯示，對原回轉(zhuǎn)窯改進(jìn)，裝上一個能分級燃燒的小分解爐(熱量比例＜20%），并不能降低NOx的排放。原因有兩方面：一是，由于分解爐中還原帶所在位置容量有限，在其中的滯留時間不夠長；二是，盡管使用的是高質(zhì)量的燃料，但是不能保證CO在燃盡帶充分燃燒。因此不能將還原帶的過剩空氣率設(shè)置得很低。
　　6、低NOx燃燒運(yùn)行模式的限制
　　在優(yōu)化分級燃燒系統(tǒng)的過程中，要確保對其它方面沒有不利影響。例如，不能對熟料性能產(chǎn)生不良影響，不能影響窯的運(yùn)行，不能排出其它有害物質(zhì)。這些約束常常限制了NOx排放的降低。試驗(yàn)中嚴(yán)格遵守這些限制條件。燃燒器中的運(yùn)行設(shè)置稍有變動，會直接影響到窯系統(tǒng)中的空氣的分布和分級燃燒狀況。例如在1型爐中，如果部分燃料從三次風(fēng)管道跑到窯列中，為了避免該點(diǎn)的溫度過高，就要向窯列多加生料。但是生料對氣流產(chǎn)生流動阻力，因此多加生料造成了此處分解爐的附加壓降，窯列和回轉(zhuǎn)窯中的燃燒的空氣量降低。反之，三次風(fēng)量增大。相同的情況也發(fā)生在2型爐中，盡管影響很小。例如，如果將所有原料不分段一起加入分解爐底部，會導(dǎo)致排氣口的壓差增大，使得整個回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒空氣相對減少。另一方面，在加入燃盡空氣之前將部分原料分段加入，將導(dǎo)致排氣管的壓差減小。這表明通過窯內(nèi)的空氣增多，通過三次風(fēng)管道的空氣減少。除了分段加入原料，分段加入空氣同樣對窯系統(tǒng)的空氣分布有影響。例如，在D分解爐中，將空氣分段加入，當(dāng)空氣加入量從最小(關(guān)閉上風(fēng)擋板)變至最大(打開上風(fēng)擋板)，三次風(fēng)的體積增加了10%。
　　窯系統(tǒng)中空氣的分布變化對爐內(nèi)氧氣含量和窯中NO的產(chǎn)生有直接的影響。表2中的數(shù)據(jù)是在A窯運(yùn)行模式不同時，窯入口處氧氣濃度和除塵后氣體中NOx的濃度。
　　在窯列加入的燃料越多，窯入口的氧氣含量越少，可減少回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)燃燒時產(chǎn)生NO。在1型爐中的試驗(yàn)表明，加入盡可能多的燃料有兩個好處：一是增加NO的分解，一是降低回轉(zhuǎn)窯燃燒系統(tǒng)中NO的產(chǎn)生。現(xiàn)代預(yù)分解窯廠在三次風(fēng)管道中設(shè)有閥門或閘板，能將回轉(zhuǎn)窯中的過?？諝饴氏拗圃谝粋€確定的范圍內(nèi)，這樣能抵銷由燃燒制度的改變而引起的任何空氣分布變化。
　　為了降低NOx而改變爐內(nèi)分級燃燒的運(yùn)行設(shè)置，但設(shè)置過分的話，這種改變對回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行和熟料性能都有不好的影響。因而對低NOx窯的操作有一定的限制。
　　由于分段加入空氣或燃料(過?？諝饴首兓?而引起的一些現(xiàn)象，直接影響到空氣在整個窯中的分布，因此也被當(dāng)作影響因素列入表中。如果由于空氣分布的變化使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氧氣濃度降得太低，那么熟料可能會在還原條件下煅燒。在還原條件下，三價(jià)鐵會變成二價(jià)鐵。三價(jià)鐵含量的降低會影響熟料的顏色(變成淺棕色)，影響熟料的相組成。在C窯的試驗(yàn)中，當(dāng)加入窯列中的燃料和粉料增加到一定程度，使窯尾氧氣含量降低到1.5vol.%以下，分級燃燒系統(tǒng)中還原帶的平衡過剩空氣率只有0.4，出現(xiàn)了短暫的還原條件下的煅燒。對窯的其他試驗(yàn)過程中并沒有設(shè)置熟料在還原條件下燃燒的情況。其中一些在爐中應(yīng)用的燃燒操作對預(yù)分解率有些輕微的影響。但是，在所有試驗(yàn)中，對游離氧化鈣的含量均控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)問題。從這方面來看，分解爐的不同運(yùn)作模式對熟料質(zhì)量沒有決定性的影響。
　　如果回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氧氣含量太低，造成了窯后部的結(jié)皮和物料結(jié)球，窯系統(tǒng)將無法繼續(xù)運(yùn)行。由于這些原因，試驗(yàn)不得不提早結(jié)束。在這次試驗(yàn)中，改變了燃料和原料的加入位置使窯入口處的氧氣含量降低到1.8vol.%，分段燃燒系統(tǒng)中還原帶的平衡過剩空氣率降至0.4。
　　如果在燃燒爐中使用粗顆粒的燃料，燃料顆粒粒度大到使之不能懸浮于空氣中被空氣帶走，則在窯入口處需過量的氧氣量。例如，E窯中相當(dāng)大一部分粗顆粒的燃料(粒徑大于20cm)沒有隨窯內(nèi)氣流走，而落到了窯的入口并在那燃燒。然而，在窯入口沒有充足的氧氣供應(yīng)，則不揮發(fā)硫減少，內(nèi)部的硫循環(huán)系統(tǒng)顯著增加。這會引起結(jié)皮，即使實(shí)際中進(jìn)行大量的清除工作也不能保證窯系統(tǒng)的正常運(yùn)行。有時由于經(jīng)濟(jì)原因，燃料的細(xì)度處理受到限制。因此，為了能保證試驗(yàn)與實(shí)際條件相近，為確保E窯系統(tǒng)的運(yùn)行，將窯入口處的氧氣含量設(shè)到一個最小值，在3-5vol.%之間。
　　在D窯中，當(dāng)生料分段加入分解爐中有變化時，觀測到了內(nèi)部硫和氯的循環(huán)系統(tǒng)也發(fā)生了一些變化。由于生料明顯的分段加入，底級旋風(fēng)筒的熱生料中氯、SO₃和氧化鉀的含量均降低。與原料不分級加入相比，氯含量從0.9vol.%降至0.6vol.%，S0₃的含量從1.43wt.%降至1.27wt.%，氧化鉀的含量從1.83wt.%降至1.36wt.%。由于試驗(yàn)時間只有12小時，還不能判定分段入料控制在哪個范圍內(nèi)能夠減少窯入口處的堵塞。分段入料的方法能有效地減少NOx的排放，但是由于爐內(nèi)表面結(jié)皮情況嚴(yán)重，溫度在高于900到950或980℃時，爐內(nèi)耐火材料會受到破壞，因此分段入料也受到了限制。分段入料在實(shí)際應(yīng)用中，關(guān)鍵是使熱料能夠準(zhǔn)確可靠地分配。
　　最后一個因素是，在極限情況下，降低還原帶的過?？諝饴誓軌蚴谷紵髿怏w中的CO含量增大，引起這一現(xiàn)象的原因是缺氧燃燒，燃料燃燒不完全。例如，A窯中，當(dāng)還原帶過?？諝饴蕪?.8降至0.6，未凈化氣體中CO濃度從0.06vol.%升高到.08vol.%。在B窯中也出現(xiàn)了相同的情況。然而，在多數(shù)試驗(yàn)中，分解爐的運(yùn)行模式對預(yù)熱器后CO濃度無明顯的影響。試驗(yàn)表明，為保證爐內(nèi)運(yùn)行正常、燃料充分燃燒，還原帶的過剩空氣率只能降低到一個限定的范圍內(nèi)。
　　7、結(jié)論
　　水泥工業(yè)研究院的研究結(jié)果表明，在預(yù)分解爐中分級燃燒，對降低NOx的排放具有很大的潛力。NOx能被所研究的措施(分段導(dǎo)入空氣、物料、不同的燃料)降低到什么程度關(guān)鍵取決于特定工廠的操作和工藝技術(shù)因素。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，對任何分解爐型，優(yōu)化其操作程序能夠?qū)Ox降低至500mg/m³。實(shí)際上，在短時期內(nèi)常常能夠得到較低的濃度，但是由于運(yùn)行的原因，在持續(xù)運(yùn)行過程中這個值不可能一直保持這么低。這樣就需要有二次降低NOx的措施，如SNCR工藝。然而將SNCR與分級燃燒的方法結(jié)合使用受到限制。