山东联合王晁水泥:利用分级燃烧技术生产水泥熟

日期:2019-12-01编辑作者:建筑建材

“为经济建设提供优质建材,为环境建设开辟新途径。”——这是山东联合王晁水泥有限公司自建设之初就执行的企业使命。多年来,该公司一直注重开发应用节能环保新技术,努力实现节能减排和环境保护的双目标。2014年12月,经过细致的分析和论证,山东联合王晁水泥新上SNCR非选择性催化还原法脱硝系统,氮氧化物排放值控制在400mg/Nm3以下,氨水使用量在500Kg/h。最初由于大量的冷风和氨水喷入分解炉,热耗增加约2~3kgce/tcl,系统受到影响,熟料生产成本增加较多。为了降低能耗减少氨水使用量,他们应用了分级燃烧技术的原理来降低NOx,经过设计改造调试,运行3个月取得了实际应用经验,在使用少量氨或不喷氨水的情况下,氮氧化物排放降低50%~60%,达到300mg/Nm3以下,系统运行稳定,减排效果良好,达到了传统企业转型升级和造福社会的双丰收,公司被山东省科技厅、财政厅、税务局评定为“高新技术企业”。

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分级燃烧脱氮的基本原理是在烟室和分解炉之间建立还原燃烧区,将原分解炉用煤的一部分均布到该区域内,使其缺氧燃烧以便产生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等还原剂。这些还原剂与窑尾烟气中的NOx发生反应,将NOx还原成N2等无污染的惰性气体。此外,煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型NOx产生,从而实现水泥生产过程中的NOx减排。分解炉分级燃烧,使一部分燃料在回转窑废气中缺氧燃烧,产生还原气氛,分解炉喷入的燃料大部分在还原氛围中燃烧,燃料中的N生成NOx的变换率低,减低了NOx生成。

1 引言

通过对低氮燃烧技术与烟气脱硝技术的初步研究和比较,他们发现,与水泥熟料生产线的工艺特点相结合,优先采用分级燃烧技术改造具有诸多好处:降低并还原窑内产生的热力型NOx,抑制燃料型NOx的生成,可从源头有效降低NOx的产生;对生产线正常生产运行和水泥熟料产、质量无不利影响;降低氨水使用量减少或者停用,减少生产运行成本;工艺技术改造后,使运行参数得以优化,系统运行质量和稳定性得到提升,并有一定的节能效果,系统无成本运行。

CFB锅炉普遍采用SNCR方式脱除烟气中的NOx,反应温度窗口为850——1050℃。近年来,电力需求增速变缓,越来越多的机组需要调峰运行,大量CFB锅炉在低负荷情况下,由于循环灰量少,分离器入口温度低于850℃,导致SNCR反应无法进行,采用单一的SNCR脱硝技术无法满足NOx超低排放要求,采用低氮燃烧技术降低原始排放结合SNCR脱硝系统是实现CFB锅炉NOx超低排放的有效途径。

随后该公司进行了分级燃烧改造,将预热器锁风阀更换为微动型锁风阀,这种阀锁风效果更好,可降低预热器旋风筒之间的内漏风,提高分离效率降低热耗。把窑头煤粉燃烧器更换为低氮型燃烧器,降低一次风的用量。改造篦冷机固定床,降低熟料流动速度增加二次风温,提高熟料急冷效果,降低出篦冷机熟料温度。对入分解炉生料下料点和平台进行改造,提高生料粉的分散度。在三次风入分解炉管道位置和锥体尺寸进行改造建立还原区,将分解炉煤粉由单层的两个入炉点改造成为上下两层,每层两个喂煤点。

吴剑恒等通过延长还原性气氛的富燃料区反应区间,增强二次风穿透性,提高炉膛中心区域传热强度的方法,使某75t/hCFB锅炉NOx原始排放从180mg/Nm3降至140mg/Nm3,机械不完全燃烧损失降低1%——1.5%。陈建军等在优化二次风喷口布置的基础上增加FGR系统,使某130t/hCFB锅炉NOx排放降至50mg/Nm3以下。清华大学提出的基于流态重构低床压降节能型CFB锅炉技术路线,通过增加有效床料浓度,NOx原始排放浓度从192mg/Nm3降至113mg/Nm3。Artur在蒸发量为1296t/h的CFB锅炉上试验发现,FGR可均衡CFB锅炉炉膛纵向温度分布,加快炉膛下部热通量恢复。本文通过对某130t/hCFB锅炉进行低氮燃烧改造,分析改造后炉膛参数变化,为同类型机组的改造提供参考。

调试初期,他们首先将窑头喷煤管位置定位在窑中心线零点上50mm处,三次风闸阀由原来的30%提升至全开,分解炉上下两层煤枪用煤比例为60:40,角度30°,两根煤枪的用煤比例5:5,投料量逐渐加至额定产量。

2 研究对象

该公司在应用分级燃烧脱氮不久,工作就遇到了难题。运行中现场巡检发现分解炉锥部有烧红现象,窑皮由16米缩短到14米,窑皮脱落频繁,烧成带窑皮不好,一是厚度不够,二是不均匀,三是不结实。这样一来造成了系统稍有波动,熟料质量就不稳定,长期对窑的耐火砖导致脱落。他们及时分析原因想对策,在配料方面,要想提高窑皮的质量,首先要调整熟料的配料,把KH控制在0.90~0.91,SM控制在2.5~2.6,IM控制在1.5~1.6。窑速由3.6r/min提高到3.9r/min,实现薄料快烧。分解炉上喷煤管角度由45°调整到30°,三次风阀开度由60%调整到全开100%,二次风温控制(1175±25)℃,二次风压力控制0~-50Pa,分解炉椎体下两根煤管的角度由45°调整到30°,上下两喷煤管用煤比例由1号:2号:3号:4号=20%:20%:30%:30%调整为1号:2号:3号:4号=10%:10%:40%:40%,窑头喷煤管内外风比例由35%:65%调整为40%:60%。窑头用煤量由6.1t/h调整为5.2~5.4t/h,分解炉用煤量在同样煤质的情况下由11.4t/h调整到10.6~10.8t/h,窑内空气过剩系数控制在1.05%,废气O2浓度控制在2.0%~2.5%。经过一个月的调整,窑系统运转正常,窑尾燃室、分解炉常年不结皮。

某电厂1号炉为济南锅炉厂与中国科学院工程热物理研究所联合开发的YG——130/9.8型高温高压循环流化床锅炉,单炉膛,自然循环,全悬吊结构,全钢架π型布置。炉膛采用膜式水冷壁、汽冷式旋风分离器,尾部竖井烟道布置两级3组对流过热器,过热器下方布置3组省煤器及一、二次风各3组空气预热器。锅炉采用SNCR脱硝方式,改造前锅炉NOx原始排放浓度约300mg/Nm3,最高排放浓度约350mg/Nm3。锅炉常用燃料为烟煤,同时掺入5%干污泥,燃料性质分析见表1

分级燃烧技术的应用起到了良好效果,NOx排放浓度由改造前的950~1000mg/Nm3下降到400~500mg/Nm3,减少52.63%,氨水用量改造前吨熟料用4.1Kg下降到1.1Kg,吨熟料少用氨水3.0Kg,下降73.2%。脱硝效率可达到60%,窑用煤量比改造前下降2.0%~3.0%,熟料产量、质量得到很大程度的提高,窑熟料日产量稳定在2950吨以上,熟料28天抗压强度在58MPa以上。

3 技术方案

3.1 分离器提效改造

Mazyan等以直径190mm的分离器为模型,经数值模拟发现,在分离器上部增加切向进气室,分离器效率最高可增加50%,压降增加不超过8%;王勇以某410t/hCFB锅炉为研究对象,经优化中心筒插入深度,延长中心筒长度至入口烟气高度的1/2,提高了分离器效率;李楠采用带偏置的渐缩型中心筒,增加锅炉循环灰量,降低床温30℃,脱硝还原剂20%氨水的消耗量由20t/d降低为4t/d。

分离器内部的烟气为混合有宽筛分颗粒的气固两相流,在离心力与重力作用下,颗粒经离心分离和沉降分离后被分离器捕捉。基于此原理,Muschelknautz等提出了计算分离器效率数学模型,采用式计算分离器切割粒径dv。

其中,μg为气体黏度;Ve为分离器下部锥体体积;ρs为颗粒密度;ρg为气体密度;Hc为中心筒底部至分离器锥体底部距离;μθcs为气体切向速度。切割粒径越小,分离器效率越高,由式可知,切割粒径与气体切向速度成反比,通过提高气体切向速度,可减小切割粒径,提高分离效率。国内工程经验表明,分离入口烟气速度在30m/s左右可得到较好的分离效果。本文研究对象改造前分离器入口烟速为18.17m/s,有较大改造空间,通过重新制作分离器入口烟道浇注料,缩小烟道宽度,烟气速度由18.17m/s提高至26m/s。

3.2 FGR改造

增设FGR系统,根据锅炉烟气O2体积分数较低的特点,在保证总流化风量的情况下,降低一次风量及密相区氧含量,强化密相区还原性氛围,抑制床温。1号炉额定负荷下,一、二次风量各为62000Nm3/h,一、二次风率均为50%,烟气量155000Nm3/h,增加FGR系统后,将10%烟气通过FGR管道引入一次风机,一次风流量不变,一次风O2体积分数降至17.75%,折算为21%的空气流量为50190Nm3/h,二次风流量从62000Nm3/h增加至73810Nm3/h,一次风率降低至40%,二次风率提高至60%,可强化空气分级燃烧效果,降低NOx生成量。

2.3二次风口改造

锅炉原有上、中、下3层二次风,前墙4列,后墙2列,左右侧墙各布置2列。3层二次风口距离布风板高度分别为2626、1626和833mm。本次改造将前墙和后墙原下二次风口整体上移,具体为将原下层二次风口封堵,在距布风板3600mm开孔作为改造后上二次风,锅炉左右侧墙原下二次风口封堵,其余不作改动,如图1所示。改造后的下二次风口距布风板1626mm,扩大了密相区还原性范围。

4 改造效果与分析

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