一种实现预分解窑难燃煤高效燃烧暨低NOx排放的分级燃烧技术

摘要

一种实现预分解窑难燃煤高效燃烧暨低NOx排放的分级燃烧技术，在预分解窑系统连通回转窑与分解炉的窑尾烟室上部设置一组四角切圆布置的蒸汽‑煤粉喷管，通过蒸汽‑煤粉喷管，将一定量的源自余热锅炉的高温高压水蒸气及一定量的分解炉用煤同步喷入到窑尾烟室内。水蒸气与煤粉在高温条件下发生水煤气反应，水煤气反应产物参与煤粉燃烧及NOx还原反应，将有效改善炉内难燃煤的燃尽性能，提高煤粉燃尽率、生料分解率以及NOx还原率。

说明书

技术领域

本发明涉及水泥生产预分解窑低氮燃烧技术领域，是一种实现预分解窑难燃煤高效燃烧暨低NO_x排放的分级燃烧技术，该发明能够协同提高分解炉内难燃煤空气分级燃烧燃尽率、生料分解率及NO_x还原率。

背景技术

水泥生产作为国民经济发展不可或缺的基础性产业，耗煤量、NO_x排放量巨大，仅次于火力发电行业。随着节能减排国策的强力推进和生态文明建设的实施，水泥生产节能减排工作面临着新的要求和挑战。

结合国家能源利用新常态，为降低熟料烧成成本，水泥生产用煤已逐渐由高价易燃优质烟煤向低价的难燃煤(混煤、无烟煤等)转变，预分解窑系统煤质的转变引起了煤粉燃尽率低、生料分解率低、降氮成本高等一系列的亟待解决的问题。低成本实现预分解窑难燃煤的高效燃烧和低NO_x排放，对推进水泥生产节能减排工作具有十分重要的意义。

新型干法水泥生产过程中排放的NO_x，以NO为主，主要产生于回转窑中，少量生成于分解炉中。回转窑生成的NO_x随高温烟气通过窑尾烟室和上升烟道进入到分解炉中。现有水泥生产降氮技术分为烟气脱硝技术及低氮燃烧技术。其中，以选择性非催化还原技术(SNCR)为主的烟气脱硝技术脱硝成效显著，在新型干法水泥生产工艺中获得了广泛应用，然而大量还原剂(尿素、液氨)的使用不仅大幅增加了熟料生产成本，而且还增加了氨的逃逸量。

分解炉空气分级低氮燃烧技术，是通过分级供风的方式将炉内分成主燃区和燃尽区实现低氮燃烧的。主燃区煤粉缺氧低温燃烧，产生还原性气氛，以抑制NO_x生成，并还原烟气中的NO_x，降低分解炉出口烟气中的NO_x浓度，实现烟气脱硝成本的大幅降低。然而，现有的研究成果及技术应用表明，空气分级燃烧技术会导致炉内煤粉燃尽率和生料分解率一定程度地下降，且其下降程度与降氮幅度及煤种的燃烧特性紧密相关：随着降氮幅度增大，煤粉燃尽率和生料分解率下降程度更大；相同运行参数下，随着煤种燃烧特性的变差，分级燃烧降氮效果变差，煤粉燃尽率、生料分解率降幅更大。

因此，协同提高分解炉内难燃煤空气分级燃烧燃尽率、生料分解率及NO_x还原率，成为水泥生产节能减排工作之必须。

发明内容

本发明设计出了一种实现预分解窑难燃煤高效燃烧暨低NO_x排放的分级燃烧技术，其主要目的在于协同提高分解炉内难燃煤空气分级燃烧燃尽率、生料分解率及NO_x还原率，其技术方案如下：

在预分解窑系统连通回转窑与分解炉的窑尾烟室上部设置一组四角切圆布置的蒸汽-煤粉喷管，通过蒸汽-煤粉喷管，将一定量的源自余热锅炉的高温高压水蒸气及一定量的分解炉用煤同步喷入到窑尾烟室内。喷入到窑尾烟室中的水蒸气与煤粉在窑尾烟室及分解炉内高温条件下发生水煤气反应，水煤气反应产物参与煤粉燃烧及NO_x还原反应，协同提高了煤粉燃尽率、生料分解率以及NO_x还原率。

难燃煤分级燃烧技术主要燃烧反应方程式如下：

①C(固)+O₂(气)→CO₂(气)

②2C(固)+O₂(气)→2CO(气)

③2CO(气)+O₂(气)→2CO₂(气)

④2H₂(气)+O₂(气)→2H₂O(气)

分解炉内煤粉燃烧生成NO_x主要反应方程式如下：

⑤2N+O₂(气)→2NO(气)

难燃煤分级燃烧技术NO_x还原反应主要方程式如下：

⑥2C(固)+2NO(气)→2CO(气)+N₂(气)

⑦C(固)+2NO(气)→CO₂(气)+N₂(气)

⑧CO(气)+NO(气)→CO₂(气)+N₂(气)

⑨2H₂(气)+2NO(气)→2H₂O(气)+N₂(气)

水蒸气与焦炭在高温条件下的水煤气反应方程式如下：

⑩C(固)+H₂O(气)→CO(气)+H₂(气)

预分解窑系统中，来自回转窑的高温烟气自下而上经窑尾烟室及上升烟道进入到分解炉内，水蒸气及煤粉从窑尾烟室上部设置的蒸汽-煤粉喷管喷入窑尾烟室后即与高温烟气混合，发生水煤气反应⑩，产生CO及H₂，CO及H₂在高温条件下遇到烟气中的NO_x发生反应⑧、⑨，将烟气中的部分NO_x还原成N₂；同时，未参与水煤气反应⑩的焦炭在高温条件下遇到烟气中的NO_x发生反应⑥、⑦，又还原了部分回转窑烟气中的NO_x。蒸汽-煤粉喷管以四角切圆方式布置，能够使煤粉、水蒸气、烟气之间充分混合，利于窑尾烟室内化学反应的进行，有效减小了进入分解炉内烟气的NO_x含量，减轻了分解炉空气分级燃烧技术的降氮负荷。水煤气反应⑩属于吸热反应，水蒸气及水煤气反应⑩的吸热特性，一定程度上降低了窑尾烟室内烟气的温度，有利于减少窑尾烟室结皮现象的发生。

窑尾烟室内未反应的焦炭、水蒸气、CO及H₂等随烟气经上升烟道进入到分解炉内，上升烟道的存在延长了水煤气反应⑩及NO_x还原反应⑥、⑦、⑧、⑨进行的时间；在分解炉底部入口，上升烟气因锥体结构产生喷腾效应，使得烟气中各成分之间混合效果更好，有利于水煤气反应⑩及NO_x还原反应⑥、⑦、⑧、⑨的继续进行。在分解炉底部锥体区域，上升烟气中的可燃物遇到还原风而燃烧，尤其是可燃性气体的剧烈燃烧，提高了进入分解炉主燃区的烟气温度，有利于主燃区难燃煤的着火和燃烧。

分解炉空气分级燃烧技术是将入炉三次风按一定比例(约17:3)分为还原风和燃尽风两路分别送入到分解炉的主燃区及燃尽区。分解炉内，烟气中的水蒸气与煤粉在高温条件下继续发生水煤气反应⑩的同时，喷入分解炉内的煤粉及上升烟道烟气带入的可燃物遇还原风剧烈燃烧。因主燃区过剩空气系数小于1，燃烧过程在缺氧、低温条件下进行，抑制了NO_x生成反应⑤的进行，分解炉内新生成的NO_x量减少；未燃尽的焦炭、反应②及水煤气反应⑩的产物遇到烟气中的NO_x，发生NO_x还原反应⑥、⑦、⑧、⑨，进一步减少了烟气中的NO_x含量。主燃区残余可燃物随烟气上升到燃尽区，遇到燃尽风后继续燃烧，使燃料尽可能地燃尽。

难燃煤的挥发分含量低，煤粉的燃烧属多相反应，炭氧反应①、②需要的活化能很大，煤粉燃烧除需要足够高的温度和氧浓度条件外，还需足够高的气-固混合速度及气相扩散速度。燃烧反应①、②发生在多孔炭外表面及微孔隙的内表面上，随着反应的进行，固相界面的周围逐渐积聚了生成物惰性气幕，阻碍了氧气向炭粒表面的扩散，阻碍了未燃尽炭粒的进一步燃烧，降低了煤粉的燃烧效率，这种现象在分解炉主燃区缺氧燃烧条件下，变得更为严重。燃烧反应③、④属于均相反应，反应易于完全进行，燃烧效率高。窑尾烟室中残余水蒸气随窑尾烟气进入到分解炉内的主燃区，与分解炉内焦炭粒子继续发生水煤气反应⑩，使得炉内部分焦炭粒子气化，产生CO及H₂，这样，后续的部分燃烧反应就由多相反应①、②转变为了均相反应③、④，从而提高了难燃煤的燃烧效率；H₂及水蒸气的扩散系数均高于CO及CO₂，其存在能增强焦炭表面的烟气扩散能力，有利于炭氧接触和快速燃烧；水煤气反应⑩过程中产生的自由氢基及其遇氧时产生的氢氧基连锁反应刺激物，能降低炭和CO燃烧反应①、②、③的活化能，引起炭和CO的连锁反应和分支连锁反应，加快了燃烧速度，利于燃烧的充分进行和燃烧效率的提高。综上所述，在预分解窑系统窑尾烟室引入水蒸气及煤粉，能够改善分解炉空气分级燃烧技术的煤粉燃尽性能，提高难燃煤的燃烧效率，并使生料分解率得到了相应的提高。

所述的高温高压水蒸气源自新型干法水泥生产线的余热锅炉，无需另增供汽设备，该技术的应用成本极低。

所述的蒸汽-煤粉喷管按四角切圆方式布置，能够使煤粉、水蒸气、烟气在窑尾烟室上部区域充分混合，有利于烟室内水煤气反应⑩和NO_x还原反应⑥、⑦、⑧、⑨的充分进行。

所述的喷入窑尾烟室煤粉量约为分解炉用煤量的10％，既保证了窑尾烟室内水煤气的生成量能够满足还原回转窑烟气中NO_x的需要，又不会导致分解炉底部锥体区域燃烧的可燃物过多、烟气温度过高而引起结皮问题。

所述的分解炉空气分级燃烧技术是将入炉三次风按一定比例分为两路送入到分解炉的主燃区及燃尽区，空气分级比例约为17:3。主燃区85％左右的分风量既保证了主燃区的还原性气氛以抑制和还原烟气中的NO_x，又保证了较大部分煤粉等可燃物能够在主燃区内剧烈燃烧，利于煤粉燃尽和生料分解。

所述的分解炉用煤从煤粉喷管喷入，燃尽风从燃尽风管喷入，生料从生料管进入，蒸汽-煤粉喷管包括煤粉管和蒸汽管。

所述的还原风管、燃尽风管、煤粉喷管、蒸汽-煤粉喷管均设有阀门和流量自动控制装置，以根据实际运行情况控制和调节进入预分解窑系统内的风量、煤量及蒸汽量。

本发明通过在新型干法水泥生产线预分解窑系统窑尾烟室部分设置蒸汽-煤粉喷管，利用水煤气反应高效低成本地协同提高了分解炉内难燃煤空气分级燃烧燃尽率、生料分解率及NO_x还原率。

附图说明

图1是实现预分解窑难燃煤高效燃烧暨低NO_x排放的分级燃烧技术系统示意图。

图2是窑尾烟室蒸汽-煤粉喷管所在位置的截面剖视图。

图中，1、分解炉；2、燃尽风管；3、生料管；4、煤粉喷管×2；5、还原风管；6、上升烟道；7、蒸汽-煤粉喷管×4；8、窑尾烟室；9、回转窑；10、煤粉管；11、蒸汽管。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图1、图2所示，一种实现预分解窑难燃煤高效燃烧暨低NO_x排放的分级燃烧技术，其主要目的在于协同提高分解炉1内难燃煤空气分级燃烧燃尽率、生料分解率及NO_x还原率，其技术方案如下：

在预分解窑系统连通回转窑9与分解炉1的窑尾烟室8上部设置一组四角切圆布置的蒸汽-煤粉喷管7，通过蒸汽-煤粉喷管7，将一定量的源自余热锅炉的高温高压水蒸气及一定量的分解炉1用煤同步喷入到窑尾烟室8内。喷入到窑尾烟室8中的水蒸气与煤粉在窑尾烟室8及分解炉1内高温条件下发生水煤气反应，水煤气反应产物参与煤粉燃烧及NO_x还原反应，协同提高了煤粉燃尽率、生料分解率以及NO_x还原率。

预分解窑系统中，来自回转窑9的高温烟气自下而上经窑尾烟室8及上升烟道6进入到分解炉1内，水蒸气及煤粉从窑尾烟室8上部设置的蒸汽-煤粉喷管7喷入窑尾烟室8后即与高温烟气混合，发生水煤气反应⑩，产生CO及H₂，CO及H₂在高温条件下遇到烟气中的NO_x发生反应⑧、⑨，将烟气中的部分NO_x还原成N₂；同时，未参与水煤气反应⑩的焦炭在高温条件下遇到烟气中的NO_x发生反应⑥、⑦，又还原了部分回转窑9烟气中的NO_x。蒸汽-煤粉喷管7以四角切圆方式布置，能够使煤粉、水蒸气、烟气之间充分混合，利于窑尾烟室8内化学反应的进行，有效减小了进入分解炉1内烟气的NO_x含量，减轻了分解炉1空气分级燃烧技术的降氮负荷。水煤气反应⑩属于吸热反应，水蒸气及水煤气反应⑩的吸热特性，一定程度上降低了窑尾烟室8内烟气的温度，有利于减少窑尾烟室8结皮现象的发生。

窑尾烟室8内未反应的焦炭、水蒸气、CO及H₂等随烟气经上升烟道6进入到分解炉1内，上升烟道6的存在延长了水煤气反应⑩及NO_x还原反应⑥、⑦、⑧、⑨进行的时间；在分解炉1底部入口，上升烟气因锥体结构产生喷腾效应，使得烟气中各成分之间混合效果更好，有利于水煤气反应⑩及NO_x还原反应⑥、⑦、⑧、⑨的继续进行。在分解炉1底部锥体区域，上升烟气中的可燃物遇到还原风而燃烧，尤其是可燃性气体的剧烈燃烧，提高了进入分解炉1主燃区的烟气温度，有利于主燃区难燃煤的着火和燃烧。

分解炉1空气分级燃烧技术是将入炉三次风按一定比例(约17:3)分为还原风和燃尽风两路分别送入到分解炉1的主燃区及燃尽区。分解炉1内，烟气中的水蒸气与煤粉在高温条件下继续发生水煤气反应⑩的同时，喷入分解炉1内的煤粉及上升烟道6烟气带入的可燃物遇还原风剧烈燃烧。因主燃区过剩空气系数小于1，燃烧过程在缺氧、低温条件下进行，抑制了NO_x生成反应⑤的进行，分解炉1内新生成的NO_x量减少；未燃尽的焦炭、反应②及水煤气反应⑩的产物遇到烟气中的NO_x，发生NO_x还原反应⑥、⑦、⑧、⑨，进一步减少了烟气中的NO_x含量。主燃区残余可燃物随烟气上升到燃尽区，遇到燃尽风后继续燃烧，使燃料尽可能地燃尽。

难燃煤的挥发分含量低，煤粉的燃烧属多相反应，炭氧反应①、②需要的活化能很大，煤粉燃烧除需要足够高的温度和氧浓度条件外，还需足够高的气-固混合速度及气相扩散速度。燃烧反应①、②发生在多孔炭外表面及微孔隙的内表面上，随着反应的进行，固相界面的周围逐渐积聚了生成物惰性气幕，阻碍了氧气向炭粒表面的扩散，阻碍了未燃尽炭粒的进一步燃烧，降低了煤粉的燃烧效率，这种现象在分解炉1主燃区缺氧燃烧条件下，变得更为严重。燃烧反应③、④属于均相反应，反应易于完全进行，燃烧效率高。窑尾烟室8中残余水蒸气随窑尾烟气进入到分解炉1内的主燃区，与分解炉1内焦炭粒子继续发生水煤气反应⑩，使得炉内部分焦炭粒子气化，产生CO及H₂，这样，后续的部分燃烧反应就由多相反应①、②转变为了均相反应③、④，从而提高了难燃煤的燃烧效率；H₂及水蒸气的扩散系数均高于CO及CO₂，其存在能增强焦炭表面的烟气扩散能力，有利于炭氧接触和快速燃烧；水煤气反应⑩过程中产生的自由氢基及其遇氧时产生的氢氧基连锁反应刺激物，能降低炭和CO燃烧反应①、②、③的活化能，引起炭和CO的连锁反应和分支连锁反应，加快了燃烧速度，利于燃烧的充分进行和燃烧效率的提高。综上所述，在预分解窑系统窑尾烟室8引入水蒸气及煤粉，能够改善分解炉1空气分级燃烧技术的煤粉燃尽性能，提高难燃煤的燃烧效率，并使生料分解率得到了相应的提高。

所述的高温高压水蒸气源自新型干法水泥生产线的余热锅炉，无需另增供汽设备，该技术的应用成本极低。

所述的蒸汽-煤粉喷管7按四角切圆方式布置，能够使煤粉、水蒸气、烟气在窑尾烟室8上部区域充分混合，有利于窑尾烟室8内水煤气反应⑩和NO_x还原反应⑥、⑦、⑧、⑨的充分进行。

所述的喷入窑尾烟室8煤粉量约为分解炉1用煤量的10％，既保证了窑尾烟室8内水煤气的生成量能够满足还原回转窑9烟气中NO_x的需要，又不会导致分解炉1底部锥体区域燃烧的可燃物过多、烟气温度过高而引起结皮问题。

所述的分解炉1空气分级燃烧技术是将入炉三次风按一定比例分为两路送入到分解炉1的主燃区及燃尽区，空气分级比例约为17:3。主燃区85％左右的分风量既保证了主燃区的还原性气氛以抑制和还原烟气中的NO_x，又保证了较大部分煤粉等可燃物能够在主燃区内剧烈燃烧，利于煤粉燃尽和生料分解。

所述的分解炉1用煤从煤粉喷管4喷入，燃尽风从燃尽风管2喷入，生料从生料管3进入，蒸汽-煤粉喷管7包括煤粉管10和蒸汽管11。

所述的还原风管5、燃尽风管2、煤粉喷管4、蒸汽-煤粉喷管7均设有阀门和流量自动控制装置，以根据实际运行情况控制和调节进入预分解窑系统内的风量、煤量及蒸汽量。

本发明通过在新型干法水泥生产线预分解窑系统窑尾烟室8部分设置蒸汽-煤粉喷管7，利用水煤气反应高效低成本地协同提高了分解炉1内难燃煤空气分级燃烧燃尽率、生料分解率及NO_x还原率。