一种水泥窑用替代燃料再燃烧脱硝的方法

摘要

本发明公开了一种水泥窑用替代燃料再燃烧脱硝的方法，在采用分级燃烧技术的分解炉内的还原燃烧区域加入再燃烧替代燃料，再燃烧替代燃料的加入量占分解炉燃料总量的0～80%，再燃烧替代燃料是挥发份含量≥30%的废弃物衍生燃料和／或氨基含量≥3%的废弃物替代燃料。本发明引入替代燃料的再燃烧过程气氛控制灵活，对水泥窑系统运行没有显著的影响；燃烧中间产物分解程度高，不产生新的大气污染物；对现有分级燃烧系统冲击小，改造过程不影响现有水泥窑系统的运行；与常规的脱硝再燃烧燃料相比，替代燃料具有更高的挥发份含量和氨基含量，燃烧过程具有更高的脱硝效率。

说明书

技术领域

本发明属于燃烧技术，特别涉及一种水泥窑用替代燃料再燃烧脱硝的方法。

背景技术

水泥工业采用煤炭作为主要能源，基于水泥熟料烧成工艺的制约，作为一个典型的 高温过程，水泥工业氮氧化物排放处于一个较高的水平，2011年水泥工业单位标准煤排 放氮氧化物高达15kgNO₂/t标准煤，水泥工业氮氧化物减排的控制任务相当艰巨繁重。 目前采用占燃料消耗量约60%的分解炉进行功能结构设计，通过分步加入燃烧用燃料和 燃烧助燃风的方式，在限制炉内氮氧化物形成的基础上进一步还原消耗已经形成的氮氧 化物，通过在分解炉内局部区域利用适宜的烟气燃烧温度控制燃烧进程形成还原性气氛， 进一步构成了分级燃烧技术在分解炉上的典型应用。分级燃烧技术目前已经在水泥工业 得到了一定范围的应用，但其减排水平受到燃料品种、窑系统产量、系统配风情况、分 解炉操作热工制度等多重因素的制约，其脱硝效果在15～50%之间波动。按照“十二五” 期间国家水泥工业脱硝减排控制的要求，如果采用现有的分级燃烧技术很难达到GB4915 －2013《水泥工业大气污染物排放标准》所规定的氮氧化物排放指标的规定。

目前，含有机质废物的处置及替代燃料正逐步在水泥工业中得到广泛应用，与常规 的矿物燃料相比，部分可燃性废弃物，如生活源废弃物衍生的干化污泥、生活垃圾衍生 燃料、废轮胎、废皮革、废塑料等是具有较高挥发份含量的替代燃料，利用此类废弃物 作为燃料是水泥替代燃料发展的一个方向，与现有的天然气再燃技术相比，利用此类替 代燃料进行分级燃烧再燃烧燃料的利用，在控制更低的氮氧化物排放水平和更经济的脱 硝运行成本上具有天然的优势，是水泥生产技术精细化管理所追求的目标。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种水泥窑用替代燃料再燃烧脱硝 的方法，采用该方法能够使水泥窑系统的脱硝效率提高到60%左右。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种水泥窑用替代 燃料再燃烧脱硝的方法，在采用分级燃烧技术的分解炉内的还原燃烧区域加入再燃烧替 代燃料，再燃烧替代燃料的加入量占分解炉燃料总量的0～80%，再燃烧替代燃料是挥发 份含量≥30%的废弃物衍生燃料和／或氨基含量≥3%的废弃物替代燃料；

该方法还需要满足以下要求：

一、再燃烧替代燃料的种类及其需要满足的其它要求：

一）再燃烧替代燃料采用来自市政污水处理厂的污泥，其细度控制80%通过20目的 标准筛，水分控制在5～30%之间；

二）再燃烧替代燃料采用来自农林业的废弃物，其细度控制80%通过4目的标准筛， 水分控制在5～25%之间；

三）再燃烧替代燃料采用垃圾衍生燃料，其细度控制80%<25×25mm，水分控制在15～ 35%；

四）再燃烧替代燃料采用废轮胎颗粒，其细度控制80%通过20目的标准筛；

五）再燃烧替代燃料采用石油焦类废弃物，其细度控制80%筛余<（0.5×挥发份－ 1.5）；

二、再燃烧替代燃料采用独立的输送装置进入分解炉，其加入方式为以下三种方式 中的任意一种：

一）采用气力输送喷射入分解炉，喷射速度10～25m/s，喷射入炉倾角8～25°；

二）采用0.05～0.15Nm³/kg压缩空气吹扫进入分解炉，吹扫入炉倾角40～65°；

三）采用锁风阀锁风，再燃烧替代燃料通过倾角为55～75°溜管溜入撒料盒，再经撒 料盒分散进入分解炉；

三、以不影响水泥窑系统稳定运行为前提，确保分解炉温度平衡，分解炉出口烟气 已燃尽，需对水泥窑系统进行如下改造：

一）再燃烧替代燃料喷射位置的设置需要使再燃烧燃料在还原燃烧区域的停留时间 满足脱硝反应的需要；

二）缩小回转窑烟室缩口的面积，以保证分解炉内不发生塌料；

三）缩小三次风喷射口的面积保证三次风具有不变的喷射速度，并以不发生高温贴 壁为原则，依据燃料的燃烧特性进行三次风喷射流场和再燃烧燃料喷射口的角度调整， 以使再燃烧燃料在分解炉的内部区域燃烧；

四）提高分解炉还原燃烧区域耐火材料的耐火度，并采用抗结皮的耐火材料；

四、以不影响水泥窑系统稳定运行为前提，确保分解炉温度平衡，分解炉出口烟气 已燃尽，生产工艺需做以下调整：

1）控制水泥窑系统的总拉风为2～2.8%，通过减少系统的冷风漏入，在减小系统通 风量的同时保证燃料燃尽的助燃风供给；

2）减少窑内通风量，将窑尾烟室上升烟道的氧气浓度控制在1.5～2.2%，在保证C5 旋风筒入窑热生料不发生过剩SO₃超标的前提下，通过缩小烟室缩口面积保证分解炉内 不发生塌料；

3）通过调整C4下料管道下部入炉管道和C4下料管道上部入炉管道之间的分料比 例，控制分解炉还原燃烧区域的燃烧速度和燃烧温度；

4）分解炉喂料调整以稳定为原则，需循序渐进；冷却机一段高温急冷区域采用＞ 750mm的厚料层操作，保证回转窑内高温助燃二次风、分解炉用三次风温度和用风量的 稳定；

5）通过调整三次风各阀门开度和调整C4下料管道分料比例来调整还原区域烟气停 留时间。

对水泥窑系统的改造还包括：提高C4下料管道上部入炉管道的位置。

采用燃料分级燃烧技术的分解炉再燃烧燃料喷射位置的设置需要使再燃烧燃料在还 原燃烧区域的停留时间为0.3～0.7s；采用三次风分级燃烧技术的分解炉再燃烧燃料喷射 位置的设置需要使再燃烧燃料在还原燃烧区域的停留时间为0.5～1.0s。

采用三次风分级燃烧技术的分解炉三次风分风上行三次风进入分解炉的位置，需以 还原燃烧区域还原气氛满足脱硝反应要求为原则，根据再燃烧燃料的性质确定。

本发明具有的优点和积极效果是：再燃烧脱硝是一种高级的低NO_x燃烧技术，是在其 它低NO_x燃烧技术的基础上发展，采用高挥发份或高氨基燃料的再燃烧脱硝技术，与常规 的天然气再燃烧脱硝相比具有相当的脱硝效率和更低的运行成本；替代燃料再燃烧脱硝 技术可以有效和水泥窑替代燃料预处理技术进行关联，在利用水泥窑完成废弃物的协同 处置过程中进一步挖掘废弃物的内在价值，实现更好的综合环境，保护清洁水平；采用 替代燃料再燃烧改造可以在不显著影响水泥窑系统运行的情况下进行，脱硝的效率可以 通过替代燃料利用率、分解炉运行热工参数等多重因素进行调整，对水泥窑系统运行的 稳定性和产品质量没有显著的影响；替代燃料的处置主要是利用燃烧过程的组织实现脱 硝，通过控制分解炉出口的烟气燃尽度可以确保利用替代燃料再燃烧脱硝不会产生其它 副产品排放，再燃烧过程不会形成其它污染物或氨气逃逸、N₂O的形成；替代燃料再燃烧 技术应用效果直接建立在水泥窑系统的工艺优化措施应用基础上，在采用本发明的过程 中具有进一步降低水泥生产线能耗指标并合理挖掘产能的附加效果。

附图说明

图1是本发明应用于燃料分级燃烧技术分解炉的原理图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明应用于三次风分级燃烧技术分解炉的原理图；

图4是图3的侧视图。

图中：1、窑尾烟室上升烟道，2、脱硝还原燃烧室，3、分解炉底部锥体，4、主三 次风管，5、分解炉柱体，6、分解炉燃料燃尽燃烧区，7、上行三次风管（脱硝三次风管）， 8、C4下料管道下部入炉管道，9、C4下料管道上部入炉管道，10、C4分料阀门，11、 常规再燃烧燃料加入管道，12、主燃料加入管道，13、再燃烧替代燃料加入管道，14、 分解炉还原燃烧区域，15、分解炉，16、C5旋风筒，17、C4旋风筒，18、回转窑。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下：

请参见图1～图4，采用分级燃烧技术的分解炉通常依据燃料在分解炉内的燃烧供风 状况，可分为分解炉还原燃烧区域14和分解炉燃料燃尽燃烧区6两个部分。来自回转窑 18的窑内热烟气为贫氧乏气。采用燃料分级燃烧技术的分解炉，分解炉底部锥体3或者 窑尾烟室上升烟道1上方处设置的脱硝还原燃烧室2利用来自回转窑18的窑内贫氧乏气 为助燃风，以分解炉0～80%的燃料为再燃烧燃料，加入分解炉，以形成还原气氛。常规 再燃烧燃料加入管道11一般采用气动输送，燃料可采用单通道燃烧器或喷射管通过割向 进入还原燃烧区域，在此区域内燃烧器采用同向相对切圆布置，利用相对的两只或四只 燃烧器射流之间的旋转吸引作用形成涡流，避免煤粉的高温贴壁。采用三次风分风燃烧 技术的分解炉，可有部分燃料作为再燃烧燃料在分解炉底部锥体3加入，来自三次风管 的三次风分两股进入分解炉，下部主三次风管4配置三次风总量的50～100%（100%时 上行三次风管路关闭）进入分解炉，和来自回转窑18的高温烟气混合后与所有的分解炉 燃料进行混合燃烧，由于部分三次风被抽离经上行三次风管7进入分解炉15的上部，在 分解炉15底部的分解炉柱体5内形成缺氧燃烧的还原性燃烧条件，构成了分解炉还原燃 烧区域14。分解炉还原燃烧区域14的燃烧速度主要通过调整C4分料阀门10的开度实 现，具体是：通过调整C4分料阀门10的开度，控制C4下料管道下部入炉管道8和C4 下料管道上部入炉管道9之间的C4旋风筒17下料的生料在不同分解炉高度位置处的分 料比例关系，利用生料的添加量和生料中碳酸盐的分解反应吸热进行分解炉还原燃烧区 域14的燃烧温度、燃烧速度和燃烧气氛的控制。通过利用助燃三次风的合理配置或者燃 料的分级加入等组织燃烧控制手段，在分解炉底部燃料燃烧起始区域形成局部的还原气 氛是目前所有的低NOx分解炉的工作原理。

与传统的分级燃烧技术相比，本发明一种水泥窑用替代燃料再燃烧脱硝的方法，在 采用分级燃烧技术的分解炉内的还原燃烧区域加入再燃烧替代燃料，再燃烧替代燃料的 加入量占分解炉燃料总量的0～80%，再燃烧替代燃料是挥发份含量≥30%的废弃物衍生 燃料和／或氨基含量≥3%的废弃物替代燃料；通过引入可燃性废弃物，如生活源废弃物 衍生的干化污泥、生活垃圾衍生燃料、废轮胎、废皮革、废塑料等具有较高挥发份含量 的替代燃料，依据废弃物替代燃料的燃烧特性合理控制预处理工艺，并选择合理的进入 分解炉的方式，在分解炉还原燃烧区域14加入，其具体的位置依据所利用替代燃料与煤 粉在燃烧特性尤其是燃烧起火条件上的区别可位于煤粉进入分解炉管道或燃烧器位置的 下方或者上方。在再燃烧燃料的制备上，作为固体再燃烧燃料，细度越细、挥发份含量 越高脱硝效果越好，但燃料细度和挥发份含量受到再燃混合燃烧停留时间和反应条件的 制约，通过破碎、筛分、干化等预处理技术，典型的替代燃料粒度控制水平如下：

1）来自市政污水处理厂污泥其细度控制在80%通过20目的标准筛，水分应控制在5～ 30%；

2）来自农林业废弃物其细度应控制在80%通过4目的标准筛，水分应控制在5～25%；

3）来自生活垃圾衍生替代燃料（RDF）其细度应控制在80%<25×25mm，水分应控制 在15～35%（相当于美国ASTM分类等级:RDF4）；

4）采用废轮胎颗粒作为再燃烧燃料的，其细度应控制在80%<通过20目的标准筛；

5）采用石油焦类废弃物，其细度应按照控制80%筛余<（0.5×挥发份－1.5）。

在作为再燃烧燃料的替代燃料加入方式上，再燃烧替代燃料采用独立的再燃烧替代 燃料加入管道13和独立的输送装置进入分解炉，其加入方式为以下三种方式中的任意一 种：

1）采用气力输送喷射入分解炉，喷射速度10～25m/s，喷射入炉与水平方向夹角8～ 25度；

2）采用0.05～0.15Nm³/kg压缩空气吹扫进入分解炉，吹扫入炉与水平方向夹角40～ 65度；

3）也可采用锁风阀锁风，再燃烧替代燃料通过与水平方向夹角55～75度溜管溜入 撒料盒，再经撒料盒分散进入分解炉。

在气氛的控制上，必须通过分解炉系统的改造确保再燃烧燃料挥发份的释放和可燃 物质的燃烧形成大量的一氧化碳和碳氢化合物，并利用碳氢化合物和氨基化合物的燃尽 过程实现脱除烟气中的氮氧化物，为保证此部分反应的顺利完成，采用燃料分级燃烧技 术的分解炉再燃烧燃料喷射位置的设置需要使再燃烧燃料在还原燃烧区域的停留时间为 0.3～0.7s；采用三次风分级燃烧技术的分解炉再燃烧燃料喷射位置的设置需要使再燃烧 燃料在还原燃烧区域的停留时间为0.5～1.0s。燃尽区域的布置应保证烟气有足够的停留 时间，确保再燃区残余的一氧化碳和碳氢化合物及氨基化合物的燃尽，以实现煤粉及替 代燃料在分解炉内的燃尽。其主要整改内容如下：

1）减小回转窑烟室缩口的面积，以保证分解炉内不发生塌料；

2）分解炉三次风入口喷射口缩小，保证三次风具有不变的喷射速度；

3）再燃烧替代燃料喷射位置的设置需要使再燃烧燃料在还原燃烧区域的停留时间满 足脱硝反应的需要，再燃烧替代燃料喷射位置包括常规再燃烧燃料加入管道11的喷射口 位置和再燃烧替代燃料加入管道13的喷射口位置，并以不发生高温贴壁为原则，依据燃 料的燃烧特性进行三次风喷射流场和再燃烧燃料喷射口的角度调整，以使再燃烧燃料在 分解炉的内部区域燃烧；

4）对C4分料管道进入分解炉位置进行调整，依据所有再燃烧燃料在分解炉还原燃 烧区域14的燃烧气氛和燃烧停留时间的控制要求调整C4下料管道下部入炉管道8和C4 下料管道上部入炉管道9进入分解炉的撒料合位置，特别建议在新设计中，提高C4下料 管道上部入炉管道9的位置，以方便还原燃烧区域14的燃烧速度控制；

5）提高分解炉还原燃烧区域耐火材料的耐火度，并采用抗结皮的耐火材料；

6）三次风分风上行三次风进入分解炉位置，按照分解炉还原燃烧区域14的气氛控 制及燃烧进程的调整幅度确定，需以还原燃烧区域还原气氛满足脱硝反应要求为原则， 根据再燃烧燃料的性质确定。依据再燃烧替代燃料与常规燃料的燃烧特性的区别，上行 三次风进入分解炉的位置可以是加高也可以是降低；例如再燃烧替代燃料的燃烧性能较 好，上行三次风进入分解炉的位置就可以较高些，否则需要矮些。

在具体的生产工艺运行上，需要通过以下技术手段完成脱硝效率的合理优化：

1）合理控制水泥窑系统总拉风为2～2.8%，通过减少系统的冷风漏入，减小系统通 风量的同时保证燃料燃尽的助燃风供给；

2）适当从严控制窑内通风量，烟室上升烟道氧气浓度控制在1.5～2.2%，在保证C5 旋风筒16的入窑热生料不发生过剩SO₃超标的前提下合理控制窑内通风量，通过烟室缩 口的调整保证分解炉内不发生塌料；

3）分解炉还原燃烧区域14的燃烧速度和燃烧温度通过调整C4下料管道下部入炉管 道8和C4下料管道上部入炉管道9之间的分料比例控制，

4）在操作上尽可能采用稳定分解炉喂料调整，冷却机操作上应尽可能采用厚料层操 作，冷却机一段高温急冷区域采用＞750mm的厚料层操作，保证二次风和三次风的温度 和用风量稳定；

5）通过调整三次风各阀门开度和调整C4下料管道分料比例来调整还原区域烟气停 留时间，分解炉还原燃烧区域14烟气停留时间需满足脱硝反应的需要；

不论是生产工艺调整还是回转窑系统的改造，都需以不影响水泥窑系统稳定运行为 前提，确保分解炉温度平衡，分解炉出口烟气已燃尽。

本发明能够降低水泥窑系统烟气中氮氧化物的浓度，通过对现有水泥熟料生产线窑 尾分解炉及底部旋风筒下料管道、三次风配风比例及进风方式等方面的调整，可达到降 低氮氧化物排放达到60%左右的效果。

本发明利用水泥窑替代燃料作为还原剂，通过对燃烧过程的合理组织，将氮氧化物 从燃烧过程中除去。通过对部分或全部具有较高挥发份的替代燃料进行适宜的预处理工 艺，调整并优化所制备替代燃料的燃烧特性，强化替代燃料燃烧过程中烃基、氨基成分 的释放速度，使之更适应脱硝组织燃烧的控制要求，提升燃料的脱硝效率。

本发明是利用具有较高挥发份含量或者较高氨基含量的废弃物替代燃料作为再燃烧 燃料的分级燃烧技术，在采用分级燃烧技术的分解炉上，分解炉内沿烟气运动方向可分 为还原燃烧区域、燃尽区两个区域，依据助燃三次风进入分解炉的方式以及经主燃料加 入管道12加入的煤粉主燃料的喷射布置位置，还原燃烧区域可分为以从出窑高温烟气中 投入占分解炉燃料量20～80%的再燃烧燃料为特征的燃料分级燃烧技术和利用控制助燃 三次风的加入方式在分解炉中下部形成空气过剩系数0.8～0.95的还原燃烧区域的三次风 分级燃烧技术，全部三次风或者剩余三次风作为燃尽风在燃尽区域加入分解炉系统，引 入分级燃烧后应加快燃料在还原燃烧区域的燃烧速度从而确保分解炉内燃料的燃尽达 成。具有较高挥发份含量或者较高氨基含量的废弃物替代燃料在还原燃烧区域采用独立 管道投入燃烧区域。依据替代燃料的燃烧特性应对分级燃烧区域的热工设备布置进行相 应的调整，其主要技术措施如下：

1）依据所处置替代燃料的燃烧特性，为保证在还原燃烧区域形成弱的还原气氛，应 依据燃料燃烧的速度和燃烧温度的控制要求，进行三次风入炉喷射风量的调整及喷射角 度的调整，并依据替代燃料燃烧速度调整来自C4旋风筒下料进入分解炉位置和进入量， 按照还原燃烧区域最高燃烧温度<1300℃为控制原则，保证燃料在还原燃烧区域的燃烧可 进行相应的调整；

2）在燃烧气氛的形成上依据三次风分级和燃料分级形成还原燃烧气氛的方式的区 别，调整回转窑窑尾烟室缩口，提高窑内烟气的喷射风速，防止生料塌料；

3）在还原气氛的建立上从严控制系统用风，合理调整系统给煤量的调整幅度，稳定 冷却机的操作，通过操作的稳定化为分级燃烧建立良好的工作条件；

4）回转窑出窑高温烟气氧气浓度应控制在1.5～2.0%范围内以保证分级燃烧区域还 原气氛的建立。

本发明通过合理地控制再燃烧燃料的燃烧气氛，并对现有的燃料分级燃烧或三次风 分级燃烧技术进行针对性的改造，在还原燃烧气氛下，采用挥发份释放的同相反应过程 中合理控制燃烧温度、燃烧气氛的方法，通过挥发份中CHi基团对NO的还原作用以及 在还原气氛下燃料中氮元素的转化进行脱硝。本发明利用具有较高挥发份含量或者较高 氨基含量的废弃物替代燃料作为再燃烧燃料实现在分级燃烧过程中抑制NO_x的形成并还 原部分已经形成的NO_x的燃烧技术。其特点是采用作为与常规煤粉的燃料分级燃烧技术 或采用助燃空气分级加入的三次风分级燃烧技术相比，利用具有较高挥发份含量的替代 燃料在燃烧过程中挥发份释放出的大量CH_i活性基团，或具有较高氨基含量的废弃物利 用分级燃烧的气氛增加氨基衍生物，在相同的燃烧控制气氛的条件下还原烟气中的氮氧 化物。本发明利用已有的燃料分级加入或三次风分段加入的已有的分级燃烧分解炉，通 过在合理的位置引入具有较高挥发份含量或者较高氨基含量的废弃物替代燃料代替传统 的煤粉作为再燃烧燃料或部分再燃烧燃料，通过在燃烧过程中增加具有脱硝能力的CH_i、 NH_i和CN活性基团在还原气氛下的体积浓度，显著提升还原燃烧区域的脱硝效果，并通 过控制再燃烧燃料的入炉粒度、燃烧起火温度，保证分解炉内主燃料和再燃烧替代燃料 的燃尽。其优点是：引入替代燃料的再燃烧过程气氛控制灵活，对水泥窑系统运行没有 显著的影响；燃烧中间产物分解程度高，不产生新的大气污染物；对现有分级燃烧系统 冲击小，改造过程不影响现有水泥窑系统的运行；与常规脱硝再燃烧燃料相比，替代燃 料具有更高的挥发份含量和氨基含量，燃烧过程具有更高的脱硝效率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普 通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下， 还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。