趙玲彩 楊恒杰 沈文婷

（北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024）

低氮燃燒的關(guān)鍵是窯爐還原氣氛的控制

趙玲彩 楊恒杰 沈文婷

（北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024）

本文從氧化還原反應(yīng)的基本原理入手，通過詳細(xì)闡述水泥窯爐低氮燃燒的系統(tǒng)控制及氧化還原反應(yīng)氣氛控制的若干種途徑，指出了水泥窯爐低氮燃燒技術(shù)中的分級燃燒和再燃脫銷技術(shù)的實質(zhì)是窯爐內(nèi)還原氣氛的控制。

低氮燃燒；還原氣氛控制；分級燃燒；再燃脫硝

低氮燃燒的關(guān)鍵是窯爐還原氣氛的控制,而低氮燃燒技術(shù)中的分級燃燒和再燃脫硝技術(shù)的出發(fā)點和歸宿也都是窯爐還原氣氛的控制，同時這也是判定分級燃燒和再燃脫硝是否成功的標(biāo)準(zhǔn)[1]。窯爐的還原氣氛控制是我們在推動低氮燃燒時必須牢牢把握的基本原則。遵循這一原則，就可以有效降低煙氣中的氮氧化物。在水泥窯爐上低氮燃燒，雖然有一些成功的實踐，但從整體而言，無論是實踐上還是理論上，還存在爭議?？諝夥旨壢紵腿剂戏旨壢紵侠碜⑷朦c的選取和各自比例的優(yōu)化分配；通過優(yōu)化注入點或注入比例，達(dá)到窯爐內(nèi)特定還原氣氛區(qū)域的擴(kuò)大和還原氣氛的強(qiáng)化，為燒煤水泥窯爐氮氧化物的削減，創(chuàng)造充分和必要的條件。

1 氧化還原反應(yīng)的基本化學(xué)原理

水泥行業(yè)和電力、化工等煙氣脫硝的先行行業(yè)，在大量的工業(yè)窯爐煙氣脫硝的實踐中，充分反映出影響氧化還原化學(xué)反應(yīng)的兩個基本原理。1）氣氛決定氧化/還原化學(xué)反應(yīng)的方向，而溫度決定氧化/還原化學(xué)反應(yīng)的速度。前者是氧化或還原反應(yīng)內(nèi)在的物質(zhì)條件，后者是氧化或還原反應(yīng)外在的環(huán)境條件；2）氧化/還原反應(yīng)的氣氛，不僅取決于氧化或還原物質(zhì)的摩爾比，也取決于其各自的化學(xué)反應(yīng)活性[2]。如果說摩爾比是氧化/還原反應(yīng)的基本數(shù)量上的比例要求，而化學(xué)反應(yīng)活性則是氧化/還原反應(yīng)物質(zhì)的質(zhì)量方面的門檻要求。對于水泥生產(chǎn)線的低氮燃燒而言，要考慮反應(yīng)區(qū)域的氣氛。在化學(xué)氣氛有利于我們所需的化學(xué)反應(yīng)時，可通過提高溫度來加速我們所期望的化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。通過對于溫度和化學(xué)氣氛的有效調(diào)控，可對氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)有效調(diào)控，控制氧化還原反應(yīng)的激烈程度和化學(xué)反應(yīng)方向。同時，我們對于某一區(qū)域氣氛的判斷，不僅僅是該區(qū)域內(nèi)氧化與還原物質(zhì)的多寡比較，還要更多的考慮氧化物質(zhì)和還原物質(zhì)的化學(xué)活性，一些化學(xué)反應(yīng)活性差的物質(zhì)，因為通不過“門檻”標(biāo)準(zhǔn)，即使是在溫度較高的化學(xué)反應(yīng)條件下，也根本不可能參與我們所期望的化學(xué)反應(yīng)，只能視為不參與反應(yīng)的惰性物質(zhì)。因此，除了氧化、還原物質(zhì)的摩爾比以外，我們還可以通過強(qiáng)化或弱化某一物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)活性，來影響窯爐的某一特定區(qū)域的氧化或還原氣氛，調(diào)控氧化或還原反應(yīng)的方向和速率。

2 低氮燃燒系統(tǒng)控制

可使用圖1反映水泥窯爐低氮燃燒的系統(tǒng)控制過程。

圖1 水泥窯爐低氮燃燒控制系統(tǒng)

3 氧化還原反應(yīng)氣氛控制的途徑

3.1 還原物質(zhì)與氧化物質(zhì)的比例控制

如圖1所示。煤粉在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)停留時，均保持在較高溫度的煙氣中，燃燒器強(qiáng)力空氣的噴吹旋噴轉(zhuǎn)動量，使煙氣呈強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)，造就了煤粉與助燃空氣的快速充分混合，在放出大量熱量的同時，煤粉可以實現(xiàn)完全燃燒生成CO2+H2O或不完全燃燒生成CO+HXCX。因此只要將窯尾的過剩空氣系數(shù)控制在0.92-0.98（當(dāng)然不可過低，以免形成較強(qiáng)的還原煙氣，甚至一些煤粉根本未燃燒就排出回轉(zhuǎn)窯外，造成窯尾煙室和縮口等處的還原燃燒導(dǎo)致粘結(jié)和堵塞），則可以將回轉(zhuǎn)窯中后部相當(dāng)大的區(qū)域有效控制為還原氣氛。而還原氮氧化物之后多余的CO+HXCX，則可以在之后進(jìn)入分解爐和旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)，最后在分解爐出口處，依靠之后空氣分級燃燒再次注入的富裕的助燃空氣稀釋還原物質(zhì)，將過?？諝庀禂?shù)調(diào)整到大于1.0的微氧化狀態(tài)，實現(xiàn)完全燃燒，而不至因化學(xué)不完全燃燒而導(dǎo)致水泥熟料燒成熱耗的無謂升高。

在分解爐、預(yù)熱器系統(tǒng)中，其溫度場和氣流場與回轉(zhuǎn)窯不同，作為一種固定設(shè)備，很易實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯根本不可能做到的燃料和助燃空氣的多點注入和各點比例的按需分配，實現(xiàn)注入量的優(yōu)化靈活控制。所謂的助燃空氣的分級燃燒，就是將分解爐20%-30%的助燃空氣，從主燃燒器的影響區(qū)域內(nèi)移出，而轉(zhuǎn)移至分解爐中上部。對于分解爐而言，通過助燃空氣的分級注入和燃燒，就形成中下部和中上部兩個不同的區(qū)域，中下部按照完全燃燒計算得出的氧化物質(zhì)與還原物質(zhì)的摩爾比，還原物質(zhì)占優(yōu)勢，過剩空氣系數(shù)約在0.8-0.9。在RSP分解爐1200℃-1300℃的溫度場里，比例偏高的煤粉在與高溫助燃空氣的充分混合，造就了部分因不完全燃燒轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的碳?xì)浠顲O+HXCX的良好條件，這樣就在分解爐的中下部，人為的創(chuàng)造了一片可以充分還原氮氧化物的還原區(qū)域，促成了氮氧化物的還原。而沒有充分燃燒的殘留碳?xì)浠?，在富裕的助燃空氣注入分解爐的上部以后，可以在分解爐的上部，甚至鵝頸管中實現(xiàn)完全燃燒，因此就可以在保證水泥熟料煅燒質(zhì)量和產(chǎn)量，不額外增加水泥熟料燒成熱耗的前提下，大幅度降低煙氣中氮氧化物的排放。

因此在窯頭精準(zhǔn)控制煤粉與助燃空氣的比例；而在分解爐內(nèi)，則在主燃燒器的影響區(qū)域，將20-30%的助燃空氣移至分解爐中上部，并改善一系列促進(jìn)煤粉燃燒的技術(shù)措施，就有可能在主要氮氧化物生成區(qū)域——回轉(zhuǎn)窯窯頭和分解爐主燃燒器影響區(qū)域的后面，造就一個具有較強(qiáng)還原能力的區(qū)域，最終控制煙氣中的氮氧化物的含量[3]。

3.2 在特定區(qū)域內(nèi)提高化學(xué)反應(yīng)活性較低的煤粉向化學(xué)反應(yīng)較高的氣態(tài)碳?xì)浠衔锏霓D(zhuǎn)化率

提高化學(xué)反應(yīng)活性較低的煤粉向化學(xué)反應(yīng)活性較高的CO+HXCX的轉(zhuǎn)化率大致有兩種途徑。

1）煤粉分級燃燒是通過提前注入部分煤粉的方式，提高煤粉在分解爐內(nèi)的平均停留時間，在分解爐主燃燒器上游的適當(dāng)部位注入少量煤粉，將使這部分煤粉利用窯內(nèi)過?？諝馓崆安煌耆紵M(jìn)而少許提高主燃燒器燃燒區(qū)域的燃燒溫度，從而加速整個煤粉的燃燒或不完全燃燒速度 ，提高分解爐中下部這一特定區(qū)域內(nèi)固態(tài)煤粉向氣態(tài)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。當(dāng)然，由于還原物質(zhì)的摩爾比稍大，因而部分煤粉，因不完全燃燒而轉(zhuǎn)化為CO+HXCX氣態(tài)還原物質(zhì)。

2）加快煤粉不完全燃燒速率的系列措施

可以采用一系列措施，加快煤粉的燃燒，從而在助燃空氣分級燃燒的前提下，在分解爐內(nèi)促成大量的氣態(tài)還原物質(zhì)的形成，造就一片很厚實的、可以大量還原氮氧化物的還原區(qū)域。

①選擇高揮發(fā)份的燃煤；

②制備高細(xì)度、低水分的煤粉；

③改進(jìn)分解爐燃燒器和分解爐結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)煤粉與高溫助燃空氣的混合，提高與煤粉混合的助燃空氣湍流度；

④用高溫純空氣助燃空氣取代回轉(zhuǎn)窯煙氣+三次風(fēng)的混合物，促成煤粉的早發(fā)火和快速燃燒。

⑤提高篦式冷卻機(jī)的熱交換效率，提高助燃空氣的溫度。

3）確保分解爐的基本有效容積和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

這一命題與水泥熟料生產(chǎn)的高效、低能耗是一致的，也與我們采用無煙煤和劣質(zhì)煤取代煙煤的資源政策所采取的技術(shù)措施是一致的。優(yōu)化水泥熟料生產(chǎn)的系列措施，以及優(yōu)化燃煤資源化的技術(shù)措施都是我們應(yīng)予以尊重的。因此，確保分解爐的容積（保證煤粉有足夠的停留時間，以便在助燃空氣分級燃燒再次注入前，可以較大幅度將煤粉轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的CO2+CO+HXCX，從而較大幅度實現(xiàn)氮氧化物的減量）和分解爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是促進(jìn)燃料快速、充分燃燒的措施，也是保證水泥熟料的高產(chǎn)、低耗的重要措施，而且這也無疑為降低氮氧化物的排放創(chuàng)造了條件。

4 SCR的實質(zhì)也是一種再燃脫硝

SCR就是將氣態(tài)的還原物質(zhì)—通過將氨水（或氨氣、尿素）以霧化的方式轉(zhuǎn)變成為微小的液滴，注入到助燃空氣不足的煙氣中，在高溫環(huán)境里進(jìn)一步氣化為化學(xué)反應(yīng)活性很高的氣態(tài)NH3。這種化學(xué)活性較高的NH3就在高溫條件下，與氮氧化物反應(yīng)生成N2+H2O，完成煙氣的無害化處置。冶金、化工、電力等部門，根據(jù)自身的條件，也有采用其它的液態(tài)或氣態(tài)的、化學(xué)反應(yīng)活性高的還原物質(zhì)，在主燃燒器的下游，以霧化狀態(tài)注入，造就主燃燒之后的窯爐空間的還原氣氛，實現(xiàn)所謂的再燃脫硝（ERD），大幅度消除燃料燃燒時產(chǎn)生的氮氧化物。

無論是SCR還是再燃脫硝（ERD）工藝，其燃料的形式，注入點的位置和比例，注入時流場的形式和湍流度強(qiáng)度，均應(yīng)立足于還原區(qū)域還原氣氛的強(qiáng)化。我們應(yīng)該以這個原則分析分級燃燒、再燃脫硝（ERD）的技術(shù)細(xì)節(jié)，以求得最好的工藝效果。

5 結(jié) 語

1）分級燃燒、再燃脫硝（ERD）、SCR等工藝，從實質(zhì)上講，都是從氣氛控制、調(diào)節(jié)出發(fā)，將煤粉燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物還原為無害物質(zhì)的過程，必須從還原氣氛的控制出發(fā)，來解析各種低氮燃燒技術(shù)的特點和細(xì)節(jié)，將水泥窯爐的低氮燃燒，健康、合理的推進(jìn)。

2）應(yīng)采用各種措施，在助燃空氣分級燃燒技術(shù)造就缺氧的條件下，將化學(xué)反應(yīng)活性較低的煤粉，部分轉(zhuǎn)化為化學(xué)活性較強(qiáng)、可以有效還原氮氧化物的氣態(tài)還原物質(zhì)。

3）通過溫度控制、燃料細(xì)度水分控制等局部性手段，實現(xiàn)氧化還原反應(yīng)速率的提升，從而更好的服務(wù)于反應(yīng)方向。

4）氣氛決定反應(yīng)方向，溫度決定反應(yīng)速率。在合適的區(qū)域通過控制不同的反應(yīng)氣氛和溫度，可以達(dá)到可觀的效果。

[1]《低氮燃燒的出發(fā)點是水泥窯爐還原氣氛的控制》水泥雜志2016第5期；

[2]《提高還原燃燒水平，降低脫硝氨水消耗》水泥工程雜志2015年第3期；

[3]《全過程低氮燃燒技術(shù)在水泥廠的應(yīng)用》水泥雜志2016年第8期；

The key to low nitrogen combustion is the control of furnace reduction atmosphere

The paper begins with the basic principle of redox reaction, and points out that controlling reducing atmosphere is the essence of staged combustion and reburning denitration technology of the cement kiln low nitrogen combustion technology by elaborating the system control of low nitrogen combustion and several ways of the atmosphere control in redox reaction of cement kiln.

low nitrogen combustion；reducing atmosphere control；staged combustion；reburning denitration

TQ172.622.2

B

1003-8965(2017)04-0038-02