技術 | 水泥窯窯尾煙氣脫硝降氮改造
前言
某公司5000t/d水泥熟料生產線2008年建成投產，為達到生態環保控制目標，公司于2012年配套建設SNCR脫硝系統，采用濃度20％的氨水對水泥窯內形成的NOx進行脫除。采用SN-CR脫硝具有系統簡單、投資少、對窯爐系統影響小、系統占地面積小等優點，但由于SNCR脫硝效率不高，因此氨水用量較大，2019年該公司氨水用量7126t，單位熟料增加成本3.16元/t，同時，大量的氨水噴入造成分解爐內結皮、系統煤耗高、設備內部腐蝕等問題。為降低生產成本，2020年大修期間，公司組織實施了脫硝降氮技術改造。
01技改思路
水泥窯爐內生成的NOx主要為熱力型NOx和燃料型NOx，熱力型NOx為燃燒空氣中的N?，在1500℃以上的高溫下氧化生成，燃料型NOx為燃料中含有的氮化物在燃燒過程中氧化而生成，這兩種NOx均伴隨燃燒過程產生，回轉窯內高溫區溫度在1500℃以上，而分解爐內溫度通常在1000℃以下，可見NOx主要來源于回轉窯內，結合NOx生成特點和主要來源，其控制技術大體可分為燃燒前控制、燃燒過程控制和燃燒后控制。燃燒前控制主要方法為控制燃料中的N含量，但目前該技術尚未得到較好開發；燃燒過程控制主要方法為分級燃燒、低氧燃燒；燃燒后控制主要方法為SCR、SNCR。總體而言， 燃燒前控制和燃燒后控制需增加設備，投資大且增加運營成本，而燃燒過程控制方法是從優化燃燒的角度出發，因此僅需對現有設備改造，不增加日常運營成本。
為降低氨水用量，節約生產運營成本，該公司結合分級燃燒、低氧燃燒兩種方式進行了脫硝改造，改造主要由窯尾燃燒器改造、三次風管改造、4級下料管改造、窯頭燃燒器改造四部分組成。
02技改方案
2.1 窯尾燃燒器改造
分級燃燒是通過對分解爐局部結構優化，在分解爐內形成一個還原區，利用煤粉在缺氧狀況下產生的CO、C-H化合物等還原物質與回轉窯內生成的NOx發生還原反應，從而達到脫硝的目的。該公司采用分煤的分級燃燒方式進行脫硝改造，即在煙室縮口上方增加4根脫硝燃燒器，對稱分布，原分解爐錐體位置的2根窯尾燃燒器與三次風管相對位置保持不變，但隨三次風管一同上移，由于煙室縮口氣體為回轉窯內煤粉與空氣燃燒后產生的煙氣，氧含量通常在1%~2%左右，因此在煙室縮口增加4根脫硝燃燒器，煤粉從縮口喂入后，在缺氧狀況下，難以充分燃燒，產生大量CO、C-H化合物對NOx進行還原。
2.2 三次風管改造
該公司三次風管與分解爐連接位置位于分解爐錐體部分，雖切向進入分解爐，但向下(即煙室方向)傾斜約15°。分煤改造前，2根窯尾燃燒器位于三次風管上方300mm，分級改造后在煙室縮口上方新增了4根窯尾燃燒器，由于三次風管向下傾斜約15°，這種入爐方式導致煙室縮口煤粉在缺氧狀況下生成的CO與氧含量21%左右的三次風提前相遇，相當于縮短了NOx在還原區的停留時間。為確保脫硝效果，延長NOx在還原區的停留時間，公司對三次風管進行了改造，改造內容為：將三次風管從窯尾平臺處開始抬高，三次風管入爐位置由分解爐錐部改為分解爐直筒與錐體連接處，入爐位置提高1800mm，三次風切向垂直進入分解爐，由于三次風管改造后，2根窯尾燃燒器位于三次風入爐區域，如果使用該煤管，易造成局部高溫結皮，因此，2根窯尾燃燒器同時上移1800mm。
2.3 四級下料管改造
窯尾燃燒器改造后，尾煤基本全部由煙室縮口上方喂入，必然導致縮口和分解爐錐部溫度上升，若沒有生料在此處吸熱發生分解反應，將造成縮口和分解爐錐部結皮，對系統產量和質量造成影響。因此對四級下料管進行了改造：該公司四級下料管共4根，對稱分布于分解爐中部，無法達到降低分解爐錐部溫度的目的，因此窯尾燃燒器改造后，在分解爐錐體新增2根四級下料管，一個分料閥，2根下料管對稱分布，位于煙室縮口燃燒器上方1500mm，分料閥開度根據分解爐下部溫度進行調節，控制在900~950℃，避免縮口和分解爐錐部局部高溫。
2.4 窯頭燃燒器改造
低氧燃燒是通過降低煤粉燃燒的過剩空氣系數，進而降低燃料周圍氧濃度，達到降低燃燒溫度峰值減少熱力型NOx生成的目的。改造前該公司窯頭燃燒器為DBC-220-550-8型燃燒器， 這種燃燒器的特點主要體現在高一次風量、低一次風壓，窯頭配備ARF-295型一次風機， 風量145.83m³/min， 風壓29.4kPa， 雖有利于形成穩定的火焰， 對煤質的適應性較強，但大量低溫的一次風進入回轉窯內，不僅造成熱耗上升，也會增加熱力型NOx生成量。為降低煤耗，減少NOx生成量，公司對窯頭燃燒器進行了技改， 采用DJGX-5000T/D-T型低氮燃燒器替換原燃燒器，同時采用YG150磁懸浮鼓風機替換羅茨風機， 一次風量90m³/min， 風壓72kPa。改造前后一次風機主要參數見表1。
03改造后的效果
通過采用分級燃燒和低氧燃燒兩種方法對窯尾燃燒器、三次風管、四級下料管、窯頭燃燒器進行脫硝降氮改造后，該公司脫硝氨水用量明顯降低，改造前氨水用量約850t/月，改造后氨水用量約352t/月，脫硝降氮改造后氨水用量降低約498t/月，氨水按800元/t計算，預計每年可節約成本約398.4萬元。該公司脫硝降氮改造總投資約300萬元，一年內可收回成本，投資回報率高，氨水用量降低相當于減少了進入分解爐的水分，因此氨水用量的減少有利于降低煤耗。同時考慮到SNCR脫硝效率普遍較低，氨逃逸量較大，不僅會造成管道和設備殼體腐蝕還會污染環境，因此，減少氨水用量還能起到保護管道、設備殼體和生態環境的作用。
綜上，該公司脫硝降氮改造有利于降低生產運營成本，保護管道和設備殼體，改善生態環境，是值得在水泥行業推廣的一項技術改造。
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