技术 | 水泥窑窑尾烟气脱硝降氮改造
前言
某公司5000t/d水泥熟料生产线2008年建成投产，为达到生态环保控制目标，公司于2012年配套建设SNCR脱硝系统，采用浓度20％的氨水对水泥窑内形成的NOx进行脱除。采用SN-CR脱硝具有系统简单、投资少、对窑炉系统影响小、系统占地面积小等优点，但由于SNCR脱硝效率不高，因此氨水用量较大，2019年该公司氨水用量7126t，单位熟料增加成本3.16元/t，同时，大量的氨水喷入造成分解炉内结皮、系统煤耗高、设备内部腐蚀等问题。为降低生产成本，2020年大修期间，公司组织实施了脱硝降氮技术改造。
一、技改思路
水泥窑炉内生成的NOx主要为热力型NOx和燃料型NOx，热力型NOx为燃烧空气中的N₂，在1500℃以上的高温下氧化生成，燃料型NOx为燃料中含有的氮化物在燃烧过程中氧化而生成，这两种NOx均伴随燃烧过程产生，回转窑内高温区温度在1500℃以上，而分解炉内温度通常在1000℃以下，可见NOx主要来源于回转窑内，结合NOx生成特点和主要来源，其控制技术大体可分为燃烧前控制、燃烧过程控制和燃烧后控制。燃烧前控制主要方法为控制燃料中的N含量，但目前该技术尚未得到较好开发；燃烧过程控制主要方法为分级燃烧、低氧燃烧；燃烧后控制主要方法为SCR、SNCR。总体而言， 燃烧前控制和燃烧后控制需增加设备，投资大且增加运营成本，而燃烧过程控制方法是从优化燃烧的角度出发，因此仅需对现有设备改造，不增加日常运营成本。
为降低氨水用量，节约生产运营成本，该公司结合分级燃烧、低氧燃烧两种方式进行了脱硝改造，改造主要由窑尾燃烧器改造、三次风管改造、4级下料管改造、窑头燃烧器改造四部分组成。
二、技改方案
2.1 窑尾燃烧器改造
分级燃烧是通过对分解炉局部结构优化，在分解炉内形成一个还原区，利用煤粉在缺氧状况下产生的CO、C-H化合物等还原物质与回转窑内生成的NOx发生还原反应，从而达到脱硝的目的。该公司采用分煤的分级燃烧方式进行脱硝改造，即在烟室缩口上方增加4根脱硝燃烧器，对称分布，原分解炉锥体位置的2根窑尾燃烧器与三次风管相对位置保持不变，但随三次风管一同上移，由于烟室缩口气体为回转窑内煤粉与空气燃烧后产生的烟气，氧含量通常在1%~2%左右，因此在烟室缩口增加4根脱硝燃烧器，煤粉从缩口喂入后，在缺氧状况下，难以充分燃烧，产生大量CO、C-H化合物对NOx进行还原。
图1脱硝降氮改造现场图
2.2 三次风管改造
该公司三次风管与分解炉连接位置位于分解炉锥体部分，虽切向进入分解炉，但向下(即烟室方向)倾斜约15°。分煤改造前，2根窑尾燃烧器位于三次风管上方300mm，分级改造后在烟室缩口上方新增了4根窑尾燃烧器，由于三次风管向下倾斜约15°，这种入炉方式导致烟室缩口煤粉在缺氧状况下生成的CO与氧含量21%左右的三次风提前相遇，相当于缩短了NOx在还原区的停留时间。为确保脱硝效果，延长NOx在还原区的停留时间，公司对三次风管进行了改造，改造内容为：将三次风管从窑尾平台处开始抬高，三次风管入炉位置由分解炉锥部改为分解炉直筒与锥体连接处，入炉位置提高1800mm，三次风切向垂直进入分解炉，由于三次风管改造后，2根窑尾燃烧器位于三次风入炉区域，如果使用该煤管，易造成局部高温结皮，因此，2根窑尾燃烧器同时上移1800mm。
2.3 四级下料管改造
窑尾燃烧器改造后，尾煤基本全部由烟室缩口上方喂入，必然导致缩口和分解炉锥部温度上升，若没有生料在此处吸热发生分解反应，将造成缩口和分解炉锥部结皮，对系统产量和质量造成影响。因此对四级下料管进行了改造：该公司四级下料管共4根，对称分布于分解炉中部，无法达到降低分解炉锥部温度的目的，因此窑尾燃烧器改造后，在分解炉锥体新增2根四级下料管，一个分料阀，2根下料管对称分布，位于烟室缩口燃烧器上方1500mm，分料阀开度根据分解炉下部温度进行调节，控制在900~950℃，避免缩口和分解炉锥部局部高温。
2.4 窑头燃烧器改造
低氧燃烧是通过降低煤粉燃烧的过剩空气系数，进而降低燃料周围氧浓度，达到降低燃烧温度峰值减少热力型NOx生成的目的。改造前该公司窑头燃烧器为DBC-220-550-8型燃烧器， 这种燃烧器的特点主要体现在高一次风量、低一次风压，窑头配备ARF-295型一次风机， 风量145.83m³/min， 风压29.4kPa， 虽有利于形成稳定的火焰， 对煤质的适应性较强，但大量低温的一次风进入回转窑内，不仅造成热耗上升，也会增加热力型NOx生成量。为降低煤耗，减少NOx生成量，公司对窑头燃烧器进行了技改， 采用DJGX-5000T/D-T型低氮燃烧器替换原燃烧器，同时采用YG150磁悬浮鼓风机替换罗茨风机， 一次风量90m³/min， 风压72kPa。改造前后一次风机主要参数见表1。
表1 改造前后一次风机主要参数
三、改造后的效果
通过采用分级燃烧和低氧燃烧两种方法对窑尾燃烧器、三次风管、四级下料管、窑头燃烧器进行脱硝降氮改造后，该公司脱硝氨水用量明显降低，改造前氨水用量约850t/月，改造后氨水用量约352t/月，脱硝降氮改造后氨水用量降低约498t/月，氨水按800元/t计算，预计每年可节约成本约398.4万元。该公司脱硝降氮改造总投资约300万元，一年内可收回成本，投资回报率高，氨水用量降低相当于减少了进入分解炉的水分，因此氨水用量的减少有利于降低煤耗。同时考虑到SNCR脱硝效率普遍较低，氨逃逸量较大，不仅会造成管道和设备壳体腐蚀还会污染环境，因此，减少氨水用量还能起到保护管道、设备壳体和生态环境的作用。
综上，该公司脱硝降氮改造有利于降低生产运营成本，保护管道和设备壳体，改善生态环境，是值得在水泥行业推广的一项技术改造。
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