中國建筑材料科學(xué)研究總院與武漢理工大學(xué)、北京水泥廠有限責(zé)任公司共同承擔(dān)的“十二五”國家科技支撐課題——“水泥窯爐富氧和分級燃燒減排NOx技術(shù)與示范應(yīng)用”，歷時3年，在保持和提高熟料煅燒效率、熟料質(zhì)量的前提下，研究攻破了部分NOx在窯體內(nèi)的自身消化，為減少水泥窯爐NOx排放提供多種技術(shù)途徑，并進(jìn)行多條生產(chǎn)線技術(shù)應(yīng)用示范，達(dá)到顯著的節(jié)能增產(chǎn)效果，被業(yè)內(nèi)譽(yù)為節(jié)能降耗的“新式武器”。
NOx減排迫在眉睫
NOx是典型的大氣污染物，對環(huán)境具有嚴(yán)重的危害性。中國建材總院等承擔(dān)的這項(xiàng)國家科技支撐課題，基于國家節(jié)能減排及減少NOx排放的重大需求，結(jié)合水泥工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平和工藝技術(shù)特性，開展了富氧燃燒和分級燃燒及檢測控制技術(shù)的研究，這對控制和減少NOx污染物排放具有著重要意義。
“十二五”期間，國家已將NOx列入了污染物減排指標(biāo)考核體系。水泥窯爐是NOx的高排放源，每噸水泥熟料的生產(chǎn)會產(chǎn)生約2.4千克NOx，一條年產(chǎn)60萬噸水泥熟料生產(chǎn)線每年則會產(chǎn)生約1440噸NOx。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泥行業(yè)NOx排放量占工業(yè)總排放量的8%~10%，是繼火電廠、機(jī)動車后的第三大排放源。在此背景下，GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，水泥企業(yè)NOx排放限值為400mg/m3，其中重點(diǎn)地區(qū)排放限值為320mg/m3，以此嚴(yán)格限制水泥行業(yè)NOx排放量。
水泥行業(yè)NOx減排技術(shù)包括非催化還原技術(shù)(SNCR)、催化還原技術(shù)(SCR)、分級燃燒和低氮燃燒器技術(shù)等。其中SNCR脫銷效率達(dá)50%以上，但需要消耗大量的尿素、氨水等還原劑;SCR脫銷效率可達(dá)80%以上，而目前國內(nèi)仍處于研發(fā)與示范階段，后兩種技術(shù)可在不消耗其他物質(zhì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一定量NOx的削減，但脫硝效率往往不夠理想。
基于此，依據(jù)水泥窯爐的工藝技術(shù)特點(diǎn)，在保證甚至提高水泥熟料產(chǎn)量、質(zhì)量和窯爐能效水平的同時，通過富氧燃燒技術(shù)和分級燃燒技術(shù)，控制NOx的形成或促進(jìn)NOx的分解，大幅度削減回轉(zhuǎn)窯內(nèi)NOx的排放，對我國水泥工業(yè)NOx減排具有推動意義。
課題研發(fā)碩果累累
課題研究人員通過理論分析、計(jì)算機(jī)模擬、實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)線示范等手段，掌握了水泥窯爐富氧燃燒和分級燃燒增產(chǎn)降耗原理、實(shí)施方法和降低NOx的規(guī)律，自主設(shè)計(jì)加工了富氧低NOx燃燒器，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“分解爐分級燃燒參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)”軟件包，并開發(fā)了窯爐燃燒工況氣氛檢測裝置。
成果一：富氧低NOx燃燒技術(shù)模擬及設(shè)計(jì)
水泥窯爐富氧燃燒技術(shù)通過引入計(jì)算流體力學(xué)(CFD)來對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測量中具有較大難度的水泥窯爐內(nèi)部速度矢量、壓力等測量，以及實(shí)驗(yàn)條件要求較高的水泥窯爐熱態(tài)測量。通過數(shù)值模擬，以及對旋流器不同配置、各風(fēng)道不同壓力和不同速度的情況下，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的速度和壓力分布，尋找具有較高一次風(fēng)速，較合適回流區(qū)和速度梯度分布的燃燒器配置及邊界條件;對不同富氧濃度下，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度分布、燃燒狀況、氣體組分濃度、NOx濃度分布等情況進(jìn)行模擬，找出火焰溫度高、高溫范圍小、回流區(qū)較大、NOx生成濃度低的邊界條件，對后續(xù)的工廠示范應(yīng)用提供指導(dǎo)。
成果二：富氧低NOx燃燒器技術(shù)集成及研發(fā)。
在理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究和模擬分析的基礎(chǔ)上，對章丘華明水泥有限公司和北京水泥廠有限責(zé)任公司兩條示范線進(jìn)行富氧低NOx燃燒器技術(shù)與制氧技術(shù)配套及集成進(jìn)行了研究。
章丘華明水泥有限公司1000t/d回轉(zhuǎn)窯采用膜法制氧較為經(jīng)濟(jì)合算，在其生產(chǎn)線上完成2000Nm3/h富氧制氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分離膜的選型及設(shè)備的加工，運(yùn)行情況良好，富氧濃度可達(dá)30%，系統(tǒng)電耗為0.075kWh/m3。
北京水泥廠有限責(zé)任公司2000t/d生產(chǎn)線富氧加入方式為液氧通過氣化器氣化之后通入一次風(fēng)中，氧氣濃度在30%～40%范圍內(nèi)可控制。
此外，課題組自行設(shè)計(jì)出富氧低NOx燃燒器并對其進(jìn)行了加工，燃燒器頭部與普通燃燒器相比，該燃燒器具有一次風(fēng)量少，軸流風(fēng)風(fēng)速高，旋流角度15°～45°靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。本燃燒器設(shè)計(jì)已申請國家發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)。
成果三：富氧低NOx燃燒器實(shí)際運(yùn)行及示范應(yīng)用。
富氧低NOx燃燒器在章丘華明水泥有限公司的示范應(yīng)用中，通過對其原有三通道燃燒器更換為自行設(shè)計(jì)的富氧低NOx燃燒器，并將富氧空氣通入一次風(fēng)中，使一次風(fēng)風(fēng)量減少，同時軸流風(fēng)速度提高;通過對高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度、頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等窯系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，富氧條件下窯頭火焰溫度較正常情況提高約120℃;二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫有較為顯著的提高，熟料煅燒質(zhì)量明顯變好;同時，在節(jié)能增效并保證熟料質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過對窯內(nèi)氣氛的合理控制，使富氧條件下回轉(zhuǎn)窯NOx產(chǎn)生量有了明顯下降。山東省建材工業(yè)節(jié)能評價檢測中心標(biāo)定結(jié)果顯示，熟料產(chǎn)量提高15%(空白36.25t/h，富氧條件下41.68t/h)，熟料燒成熱耗降低9.5%(空白3746kJ/kgcl，富氧條件下3389 kJ/kgcl)，窯尾煙室NOx降低29%(空白1063ppm，富氧條件下755ppm)。
富氧低NOx燃燒技術(shù)在北京水泥廠有限責(zé)任公司示范應(yīng)用中，通過將富氧空氣通入一次風(fēng)中，一次風(fēng)氧氣濃度達(dá)36.8%;通過調(diào)整高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、三次風(fēng)閘板開度、篦冷機(jī)篦速等窯系統(tǒng)參數(shù)，富氧條件下窯頭火焰溫度提高約110℃;同時，大大改善了之前因協(xié)同處置廢棄物造成的熟料SO3含量高、燒失量大、有時出現(xiàn)黃心料等現(xiàn)象，據(jù)中控操作員現(xiàn)場觀察描述，“熟料黃心料現(xiàn)象明顯變少，直徑5cm的料都可燒透，熟料質(zhì)量明顯提升。”在此基礎(chǔ)上，通過對窯內(nèi)整體氣氛的合理控制，在增產(chǎn)、節(jié)能、質(zhì)量提升的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了部分NOx在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)削減的目標(biāo)。由國家建筑材料工業(yè)建筑材料節(jié)能評價檢測中心標(biāo)定，熟料產(chǎn)量提高14%(空白79.2t/h，富氧90.6t/h)，熟料燒成熱耗降低11.6%(空白4301kJ/kgcl，富氧3804kJ/kgcl)，窯尾煙室NOx降低31%(空白1538ppm，富氧1061ppm)。
成果四：分級燃燒技術(shù)軟件包開發(fā)及示范應(yīng)用示范。
針對不同分解爐爐型建立全尺寸模型，進(jìn)行分級燃燒改造數(shù)值模擬，得到優(yōu)化改造方案，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“分解爐分級燃燒參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)”軟件包，目前已在華新水泥(秭歸)有限公司5000t/d生產(chǎn)線上應(yīng)用，分級燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行率>95%，NOx排放濃度低于400mg/m3。
成果五：窯爐燃燒工況氣氛快速檢測和控制技術(shù)。
開發(fā)了窯爐燃燒工況氣氛檢測裝置，在北京水泥廠有限責(zé)任公司2000t/d生產(chǎn)線得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了燃燒工況氣氛的快速、準(zhǔn)確分析，建立了窯爐燃燒工況與微量組分之間分析模型，并通過對窯系統(tǒng)優(yōu)化操作，使窯系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)約了熟料燒成能耗。
未來應(yīng)用前景廣闊
基于國家節(jié)能減排及減少NOx排放的重大需求，課題開展了富氧燃燒技術(shù)節(jié)能降耗與降低NOx排放的研究與應(yīng)用，與二代新型干法水泥技術(shù)裝備研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)中“高能效低氮預(yù)熱預(yù)分解及先進(jìn)燒成技術(shù)研發(fā)攻關(guān)技術(shù)”及“攻克窯體氮氧化物消化和提升窯尾脫硝的技術(shù)攻關(guān)”緊密結(jié)合。課題在保持和提高熟料煅燒效率和熟料質(zhì)量的前提下，研究攻破了部分NOx在窯體內(nèi)的自身消化。實(shí)踐證明，富氧燃燒技術(shù)對改善水泥回轉(zhuǎn)窯因協(xié)同處置廢棄物可能產(chǎn)生的熟料產(chǎn)量無法提高、質(zhì)量受到影響、單位熟料熱耗增加等現(xiàn)象具有很好的應(yīng)用效果。
隨著國家對節(jié)能環(huán)保要求的日趨提高，富氧燃燒技術(shù)在水泥窯的應(yīng)用前景將非常廣闊。當(dāng)然，此項(xiàng)技術(shù)不可避免地會改變其原有工況，因而在操作及設(shè)備方面必須做相應(yīng)調(diào)整，以滿足水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)要求。由于不同水泥企業(yè)生產(chǎn)狀況不同，在應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)時，需先對自身狀況進(jìn)行全面評估，制定出合理的應(yīng)用方案。