在分解爐內分級煅燒降低NOx的研究
2010-12-28 00:00
德國水泥研究所對Pyroclon(以下稱I型，見圖1)和PrepolMSC(以下稱II型，見圖2)兩種分級煅燒的分解爐進行了研究。
1 過剩空氣系數和燃料品種的影響
以前的試驗表明，在分級煅燒式分解爐的還原區內存在一最佳過剩空氣系數，如超過了，因氧濃度增大而NO生成量也就增加；如太低，雖然對NOX的分解是有利的，但卻增加了中間產物(HCN、NH３等)，這些化合物一旦進入分解爐的燃燒區，在富氧條件下，再生成新的NO。
在6臺窯上進行試驗(I型2臺，II型4臺，產量1600-6000t/d)。B廠(II型，5000t/d )分解爐還原區的過剩空氣系數因設計所限不可能低于0.9，而A、C兩廠(II型，6000t/d和2500t/d)均可分別降到0.6和0.4。
試驗結果表明：過剩空氣系數略有降低，N()Ｘ生成就少很多，用褐煤為燃料時最顯著，而用石油焦+煤為燃料時，卻看不出有何影響。因此可以認為燃料內的揮發分含量及燃料的活性起重要作用，在還原區燃料排放的氮愈多，通過減少過剩空氣來降低NＯＸ 的效果愈好。這是由于揮發分多了，CH團增多使NO得以分解。在C廠的試驗還表明，將煤磨得細一些，可增大降低過剩空氣的作用。這可能是由于煤細了揮發分排放也就加快了。
與在發電廠的試驗結果不同，本試驗得出的最佳過剩空氣系數遠低于0.8。從還原區取樣以經典化學分析方法測定HCN和NH３的濃度結果表明，NH３濃度隨過剩空氣系數的減少而增加(與發電廠的經驗吻合)；但即使02濃度很低(0.1％-1.5％體積比)也檢測不到HCN，說明HCN完全氧化為NO的說法不成立。而是HCN在高濃度的CaO的觸媒作用下全部生成了NH3，幾乎沒有任何HCN能夠到達燃燒區再形成新的NO;而且形成的NH3還可促使NO在燃燒區內分解，因為其溫度在發生SNCR反應的溫度窗內。因此,還原區的最佳過剩空氣系數降低(低于電廠的試驗結果)。
由此可見，II型分解爐的三次風管和燃燒區進風管的尺寸的設計應向有利于大量減少過剩空氣的方向改進。而對于I型分解爐則應盡量加大出窯氣流系列的燃料比例，此類改進對采用高揮發分的燃料，如褐煤，尤為必要。為了解用二次燃料時NＯＸ的變化情況，在兩臺窯上用揮發分高達70％的二次燃料做了試驗。在B廠用較粗的燃燒慢的二次燃料代替30％的高活性煤，在燃料總含氮量可比的條件下，NO增加了0.24Kg NO2／t熟料，這是因為兩種燃料的燃燒速度不同，作為整體而言，燃燒在氧濃度較高的地方進行。在C廠用30％揮發分較高的二次燃料代替低揮發分煤，燃料中的氮含量減少1.2％，在過剩空氣系數為0.5時，NO 生成量大幅度地降了0.2kg NOx 熟料；但在過剩空氣系數高時，因碳氫化合物的迅速燃燒，對NO的分解沒有幫助。
2 分解爐內溫度對NO分解的影響
試驗在D廠II型窯上進行。當物料全部從還原區下部與三次風和燃料一起喂入時(沒有分級喂料)，可使還原區及燃燒區的溫度達約860℃；采用分級喂料時，物料滯后燃料0.5s喂入，使分解爐下部溫度升高，在某點測得1170℃(這可能導致結皮或損壞耐火材料)。兩種不同的喂料方式不僅使分解爐溫度不同而且也改變了分解爐中部的壓降和窯系統的氣流分布。兩次試驗過剩空氣系數都是1.3。試驗結果表明，分解爐還原區溫度的提高，明顯促進了NO的分解，溫度對NO分解有重要影響。
3 影響NO分解的其他因素
雖然試驗證明了窯尾氣流中NO流量大時分解爐內NO的分解率也高，但總的NO量的提高只能部分被NO分解率的提高所抵消，所以，還是應減少主燃燒系統的NO生成量。
出窯氣流與燃料的快速而均勻地混合有利于NO分解。對于截面積很大的分解爐，增加同一水平燃料喂入點的數量，對混勻是有效的。此外將燃燒器向主氣流方向傾斜一角度，使燃燒氣體在還原區端部得以充分混合，則延長了在還原區的停留時間，可使HCN在生料內充分轉化為NH３。
對于很小的預分解爐(分級燃料的比例<20％)的F廠而言，因不能使還原區的停留時間得到有效的延長，而且由于燃燒區的停留較短，不能保證CO的燃盡，因而不可能增大分級燃料的比例，因此無法設定較低的過剩空氣系數，降低NO的試驗沒有成功。
4 以上一些措施的限制
優化分級煅燒系統時，要考慮其對熟料質量、窯操作及有害物質排放的影響。例如，對I型分解爐，增大了出窯氣流系列的燃料比例，就必然要加大該處的喂料量，否則溫度太高。如此就意味阻力加大，減少了拉風，對窯的煅燒有影響，同時三次風量卻加大了。類似問題也可發生在II型分解爐，不過程度要輕一些。改變了窯系統的空氣分布就改變了氧含量，也就改變了NO的含量。所以對I型分解爐，出窯氣流系列的燃料盡可能多，則既可使分解爐還原帶NO分解增加，又使窯內生成的NO減少。新型三次風管應有翻板閥或閘閥可較準確地控制過剩空氣量于一定范圍內，可以調整因改變分解爐的操作參數帶來的影響。
下表列出在試驗中采取減除NO措施的過程中對窯的操作和熟料質量的影響，所有各次試驗中均未發現對熟料f-CaO有影響。
試驗中，C廠當窯尾氣體含氧量為1.5％(體積比)、分解爐還原區過剩空氣系數為0.4時，窯內出現過短時的還原氣氛，其他試驗均未出現。
有一次試驗當窯尾氣體含氧量為1.8％(體積比)、分解爐還原區過剩空氣系數為0.4時，由于結皮、結蛋而不得不中止試驗。
E廠因為燃料較粗，一部分粗燃料(達20cm)落入窯內繼續燃燒，如果該處氧含量過低，將會使硫固化率降低，內部循環增加，易造成結皮而影響操作，因此其窯尾氧含量不低于3％-5％(體積比)。
在極端情況下，還原區過剩空氣系數的降低能夠造成廢氣中CO濃度的升高，在A廠，當過剩空氣系數從0.8降為0.6時，廢氣中CO濃度從0.06％上升至0.08％(體積比)，B廠也有類似情況。但對于大多數試驗，分解爐的不同操作方式均未對預熱器后C0的濃度產生明顯影響。
因此，各廠在采取降NOX的措施時應考慮自己的條件和上述影響。
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