CN111750670A - 一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统及工艺，在窑尾烟室与分解炉之间设还原炉，还原炉出口与分解炉侧面连接，三次风下支管与分解炉锥体底部连接，在分解炉截面上形成中心浓氧区和外围淡氧区的横向分区燃烧环境；三次风上支管与分解炉柱体中部连接，还原炉内为强还原区，三次风上支管以下分解炉内空间为弱还原区，三次风上支管以上分解炉内空间为燃烬区，形成强还原区‑弱还原区‑燃烬区相结合的纵向梯度燃烧环境。横向分区燃烧环境通过三次风从分解炉底部中心纵向向上进风，烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋转进风实现；纵向梯度燃烧环境通过燃料分级喂入和三次风分风实现。本发明整体上实现分区组织燃烧自脱硝，提高自脱硝效率。

Description

一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统及工艺

技术领域

本发明涉及水泥工业烟气脱硝技术领域，特别是涉及一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统及工艺。

背景技术

分解炉是水泥生产工艺过程中的关键设备。水泥生料中主要成分为碳酸钙，在分解炉内水泥生料中的碳酸盐分解为氧化物，为后续回转窑内熟料烧结反应提供了基础。由于碳酸盐分解需吸收大量的热量，分解炉内需喂入一定的燃料来供应。一般而言，分解炉内燃料占整个水泥熟料煅烧过程中燃料消耗的60％左右。分解内燃料燃烧的状况直接影响整个生产系统的产品能耗，同时分解炉对物料的分解将直接影响回转窑的物料煅烧的质量，从而影响水泥熟料的产量和质量。

现有的分解炉有多种形式，典型的炉型有在线型分解炉和离线型分解炉。在线型分解炉中，出窑烟气往往从分解炉底部进入炉内，燃烧空气(从篦冷机回收的高温三次风)从分解炉锥体或柱体进入炉内。在离线型分解炉中，出窑烟气直接进入预热器，不进入分解炉内。相对于离线型分解炉，在线型分解炉运行工况稳定，是目前主流的分解炉型式。

氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的气体，具有很强的毒性。氮氧化物排放影响大气质量，对人类生存环境与健康有严重的危害。水泥工业是居火力发电、汽车尾气之后的第三大氮氧化物排放大户。水泥烟气中的NOx主要是回转窑和分解炉内燃料燃烧过程中产生的，其中以回转窑内产生的NOx为主。水泥回转窑内NOx的类型主要为热力型NOx，即高温下助燃空气中的N₂氧化产生的NOx。原苏联科学家Zeldovich提出热力型NOx的生成反应经验公式为：

当燃烧过程中，烟气温度越高，热力学NOx的生成速度越快。水泥熟料的煅烧温度一般高达1350～1450℃，出窑烟气中NOx的浓度往往较高，一般为800～1500ppm。回转窑烟气出窑后通过窑尾烟室进入分解炉，降低出窑烟气中NOx浓度对于整体上提高自脱硝效率非常重要。为了加强环境保护，积极控制氮氧化物排放，制定了严格的排放标准。目前，国内外水泥行业大多采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝或者选择性催化还原(SCR)脱硝技术。采用SNCR技术或SCR技术，通过外加脱硝还原剂(一般为氨水、尿素等氨基还原剂)还原烟气中NOx，具有脱硝效率高，技术成熟可靠等优点，但一次性投资高，生产过程中消耗还原剂，带来了额外的环保治理成本。

燃料燃烧自脱硝技术为在不外加脱硝还原剂的条件下，利用控制燃料燃烧特性参数，通过燃烧过程中形成的中间产物抑制NOx形成的燃烧技术。目前，燃料燃烧自脱硝技术有空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术。空气分级燃烧技术利用入炉三次风分级喂入，在分解炉柱段形成贫氧燃烧区，可抑制分解炉燃料自身燃烧产生的NOx，但是所形成的贫氧燃烧区过氧系数仍然较高，整体脱硝效果欠佳。燃料分级燃烧技术利用入分解炉燃料分级喂入，在分解炉锥部形成贫氧燃烧区域，可有效降低出回转窑烟气中的NOx，但是降低幅度一般仅为30％左右，限制脱硝效率提升的主要原因为脱硝反应时间的不足，受在线型分解炉设备空间的限制，脱硝反应的停留时间较短，且难以抑制分解炉燃料自身燃烧产生NOx。

还原气氛下的脱硝反应主要为：CO+NO→N₂+CO₂。

专利WO2019043036A1“Low NOx Calciner”公开了一种具有脱硝功能的分解炉，提供了一种采用燃料分级燃烧脱硝的分解炉，只能对回转窑内产生的NOx进行还原，不能还原分解炉内燃料燃烧产生的NOx。

专利CN201711215096公开了“一种烧成系统梯度燃烧自脱硝工艺方法”，其特点是在分解炉内形成极度贫氧区-贫氧燃烧区-富氧燃烬区的梯度燃烧环境。该专利分解炉采用单炉形式，梯度燃烧的方法局限于分解炉内部。受限于分解炉的炉体容积、场地空间等因素，强还原区的空间受到限制，整体脱硝效果还有待提升。同时，由于贫氧燃烧区内燃料的起燃环境为出窑烟气与三次风的混合气体，氧气浓度不足，使得分解炉燃料的起燃着火相对困难，影响水泥生产过程稳定性。

出窑烟气和三次风的进风形式也是分解炉结构的关键环节。分解炉内燃烧区的温度和燃烧区的气氛是影响分解炉内燃料燃烧速度的决定性因素。通过提高燃烧区的温度或者提升燃烧区的氧浓度可以显著加快燃料燃烧速度。但实际生产过程中，提高分解炉燃烧区的温度也存在制约，大多数生产线分解炉内温度一般控制在1150℃以下。当燃烧区温度过高时，生料在高温下容易出现液相，导致炉壁出现结皮问题，同时燃烧温度过高也容易使炉壁耐火材料烧损。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有在线型分解炉中，窑气从分解炉底部直接进入，即使采用燃料分级燃烧，在分解炉锥部形成还原区，对于降低出窑烟气中NOx有一定的效果，但是由于出窑烟气直接入炉，贫氧燃烧区的空间受限，脱硝反应的停留时间较短，脱硝效率一般为30％左右。

(2)现有的分解炉燃料燃烧速度受燃烧区温度限制不能快速燃烬，需通过提高分解炉的体积延长燃烧时间来满足燃烬需求，一方面增加了投资和空间占地，另一方面增加了设备表面散热能耗。

(3)分解炉燃烧区温度受到炉壁结皮的限制，使得现有技术难以进一步提升燃烧区温度。大多数生产线分解炉内温度一般控制在1150℃以下。当燃烧区温度过高时，生料在高温下容易出现液相，导致炉壁出现结皮问题。分解炉燃烧温度过高也容易使炉壁耐火材料烧损。

(4)分解炉燃料分级燃烧方法只能对回转窑内产生的NOx进行还原，不能还原分解炉内燃料自身燃烧产生的NOx。且分解炉内燃料的起燃着火相对困难，容易引起工况波动，影响水泥生产过程稳定性。

(5)现有分解炉梯度燃烧的方法局限于分解炉内部。受限于分解炉的炉体容积、场地空间等因素，整体脱硝效果还有待提升。

随着环保要求的提高，水泥企业脱硝运营成本进一步增加，提高燃料燃烧自脱硝效率、降低脱硝运行成本、减少二次污染是水泥行业当务之急。且通过燃烧过程的中间产物还原NOx是一种源头减排的环保治理方式，有利于脱硝整体运行成本的降低。为此提出一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统及工艺，形成分解炉的浓淡含氧区横向分区燃烧环境以及还原炉与分解炉的强还原区-弱还原区-燃烬区的纵向梯度燃烧环境，延长了强还原区的停留时间，扩大了强还原区容积，提升了强还原区的脱硝效果，并且抑制了分解炉燃料燃烧产生的NOx，实现烟气自脱硝，不提高分解炉燃烧区温度的同时保证燃料的燃烧。对于水泥窑烟气高效、低成本脱硝技术推广应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，本发明的自脱硝系统从整体上实现了分区组织燃烧，一方面可提升分解炉自脱硝效率，另一方面有利于提升分解炉内燃料燃烧速度。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述系统进行分区组织燃烧的自脱硝工艺。

本发明是这样实现的，一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，包括回转窑、连接回转窑窑尾的窑尾烟室、分解炉、分解炉燃料喂料点、分解炉生料喂料点和三次风管；还包括连接窑尾烟室与分解炉的还原炉，还原炉燃料喂料点；所述还原炉位于窑尾烟室上方；

所述还原炉的出口与分解炉锥体侧面或分解炉柱体底部侧面连接，使出还原炉的烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进入，烟气进入方向与水平方向的夹角为±30°范围内；所述三次风管分上下两个支管，包括三次风下支管和三次风上支管，所述三次风下支管位于分解炉锥体正下方，三次风下支管与分解炉锥体底部连接，使三次风从分解炉底部中心纵向向上进入，在分解炉截面上形成中心浓氧区和外围淡氧区的气流分布环境；所述三次风上支管与分解炉柱体的中部连接；

所述还原炉内为强还原区，还原炉燃料喂料点喂入过量燃料，使还原炉内形成强还原气氛，将出窑烟气中的NOx充分还原；所述三次风上支管以下的分解炉内空间为弱还原区，抑制分解炉燃料燃烧产生的NOx；所述三次风上支管以上的分解炉内空间为燃烬区，满足燃料燃烧用氧需求；在还原炉和分解炉的组合燃烧空间中形成强还原区-弱还原区-燃烬区相结合的纵向梯度燃烧环境。

优选的，所述还原炉从下往上依次由还原炉底部缩口、还原炉锥体、还原炉柱体和还原炉出口风管组成，所述还原炉底部缩口与窑尾烟室连接，所述还原炉出口风管与分解炉锥体侧面或分解炉柱体底部侧面连接。

进一步优选的，所述还原炉燃料喂料点位于还原炉锥体上，还原炉燃料喂料点的数量为1～4支。

进一步优选的，所述还原炉上设还原炉生料喂料点，所述还原炉生料喂料点位于还原炉柱体或还原炉锥体上，还原炉生料喂料点的数量为1个或2个，所述还原炉生料喂料点位于还原炉燃料喂料点上方，还原炉生料喂料点喂入生料控制还原炉内温度不高于1150℃，防止因燃料燃烧引起还原炉内温度过高而出现结皮问题。

进一步优选的，所述还原炉底部缩口的截面积小于还原炉柱体的截面积，用于防止生料通过还原炉底部短路进入窑尾烟室内而影响水泥熟料质量。

进一步优选的，所述还原炉出口风管包括还原炉出口上行管道和还原炉出口下行管道，所述还原炉出口上行管道与还原炉柱体连接，所述还原炉出口下行管道与分解炉连接，还原炉出口风管先上行再下行后与分解炉锥体侧面连接，使得还原炉的高度不受分解炉锥体位置的限制，延长强还原区内脱硝反应时间，提升脱硝效率。

优选的，所述分解炉燃料喂料点至少有一支位于还原炉出口的下方，分解炉燃料先与三次风混合，利于燃料的起燃，并随三次风向上运动，使燃烧区间主要为分解炉中心浓氧区。

进一步优选的，所述分解炉生料喂料点包括分解炉生料下喂料点和分解炉生料上喂料点，两个分解炉生料喂料点均位于三次风上支管进风口的下方；所述分解炉生料下喂料点位于还原炉出口下方的分解炉燃料喂料点之上，且位于分解炉锥体上或位于分解炉柱体下部；分解炉生料上喂料点位于分解炉柱体中部；两个喂料点通过设置在分解炉物料管上的分料阀调节喂料量，通过生料量控制分解炉内外围淡氧区温度低于1150℃，防止了炉壁高温结皮的问题；同时将一部分生料喂入分解炉生料上喂料点52，以减少从下喂料点喂入的生料量，提升分解炉下部温度。

进一步优选的，所述分解炉柱体上设有分解炉中部缩口，所述分解炉中部缩口位于分解炉生料上喂料点下方。

优选的，所述三次风上支管和三次风下支管上均设三次风阀门，通过三次风阀门调节三次风分风比例，进而调节分解炉内弱还原区的过氧系数，控制弱还原区过氧系数为0.8～1.0，抑制分解炉燃料燃烧产生的NOx。

优选的，所述三次风下支管的底部弯头下方设卸料仓和与卸料仓连接的料管，所述料管另一端与窑尾烟室连接，所述料管上设锁风阀。

通过三次风、燃料、生料的分级设计，形成强还原区-弱还原区-燃烬区的纵向梯度燃烧环境，强还原区还原出回转窑烟气中的NOx，弱还原区抑制分解炉内燃料燃烧过程中燃料型NOx的生成，燃烬区使得燃料充分燃烧，在燃料燃烧和生料分解的过程中利用燃烧中间产物CO还原NOx，实现烟气自脱硝。并利用三次风从分解炉底部纵向向上进风、出还原炉烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风的形式，在分解炉截面上形成中心浓氧区和外围淡氧区的气流分布环境，使得燃料在中心浓氧区燃烧速度快，在外围淡氧区燃烧速度慢，实现外围淡氧区温度不高于1150℃，炉壁不结皮，中心浓氧区温度可以提高至1300℃，提升燃料燃烧速度。本发明基于浓淡含氧区的分区燃烧分解炉结构，在分解炉前增加独立的还原炉，使强还原区位于还原炉内，大幅延长了强还原区内烟气的停留时间，扩大了强还原区容积，增加了强还原区脱硝反应的时间，从而更加彻底地还原出窑烟气中的NOx，提升自脱硝效率同时保证了燃料的充分燃烬和生料的完全分解。

采用上述系统进行分区组织燃烧自脱硝的工艺，该工艺采用在分解炉内截面上形成中心为浓氧区、外围为淡氧区的横向分区燃烧环境，并在还原炉和分解炉的组合燃烧空间中形成强还原区-弱还原区-燃烬区相结合的纵向梯度燃烧环境，实现自脱硝和燃料燃烬；所述横向分区燃烧环境通过使三次风从分解炉底部中心纵向向上进风，出还原炉的烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风来实现，在旋转离心力作用下，出还原炉的烟气在分解炉的外围形成淡氧区，三次风在分解炉的中心形成浓氧区；所述纵向梯度燃烧环境通过三次风、燃料、生料的分级喂入来实现；所述强还原区为位于还原炉内的区域，还原炉内喂入过量燃料，控制强还原区过氧系数小于0.8，还原出窑烟气中的NOx；所述弱还原区为三次风上支管以下的分解炉区域，调节三次风的分风比例控制弱还原区过氧系数为0.8～1.0，抑制分解炉燃料燃烧产生的NOx；所述燃烬区为三次风上支管以上的分解炉区域，控制燃烬区过氧系数大于1.0，满足燃料燃烧用氧需求；还原炉内平均温度控制在850～1150℃，分解炉内平均温度控制在850～1150℃，且控制分解炉内外围淡氧区温度低于1150℃。

优选的，入还原炉的燃料占入还原炉和分解炉燃料总和的比例大于20％。

优选的，所述还原炉底部缩口处的截面风速大于6m/s，用于防止生料通过还原炉底部短路进入窑尾烟室内而影响水泥熟料质量。

优选的，所述三次风下支管的入炉口处风速不低于10m/s。

本发明在还原炉和分解炉的组合燃烧空间中形成强还原区-弱还原区-燃烬区相结合的纵向梯度燃烧环境，其中：

强还原区为还原炉内空间。在还原炉内设有还原炉燃料喂料点，通过喷入过量燃料使还原炉内形成强还原气氛，将出窑烟气中的NOx充分还原。强还原区的主要脱硝化学反应如下：

C+CO₂→CO

CO+NOx→CO₂+N₂

弱还原区为三次风上支管以下的分解炉内空间(包括分解炉锥体和分解炉下柱体内的空间)。三次风上支管将一部分三次风引入分解炉下柱体上方，分解炉下柱体和分解炉锥体内因燃烧空气不足而形成弱还原气氛，分解炉内燃料燃烧速度受到弱还原区低氧气氛限制，抑制了分解炉内燃料燃烧过程中燃料型NOx的生成，从而有效降低出分解炉烟气中NOx的浓度。弱还原区的主要脱硝化学反应如下：

-CN+O₂→CO₂+N₂

-NH₂+O₂→H₂O+N₂

CO+NOx→CO₂+N₂

燃烬区为三次风上支管以上的分解炉内空间(也即分解炉上柱体内的空间)。三次风从三次风下支管和三次风上支管进入分解炉内，分解炉上柱体内为氧化气氛，在强还原区和弱还原区中未完全燃烧的燃料进入燃烬区后可以进一步燃烧，使燃料充分燃烬。燃烬区的主要化学反应如下：

C+O₂→CO₂

CO+O₂→CO₂

同时，在分解炉内截面上形成内部为浓氧区，周围为淡氧区的气体分布，实现：1)燃料在分解炉中心浓氧区高温燃烧，燃烧温度相对提高了100～200℃，从而提高燃烧速度；2)分解炉外围为淡氧区，燃料在缺氧条件下燃烧，产生还原性中间产物CO，可继续还原分解炉外围烟气中的NOx，燃料燃烧速度受到低氧气氛抑制，使得边壁温度不升高，不增加炉内物料在炉壁高温结皮的风险。3)通过浓淡含氧区分区燃烧实现中心区高温燃烧，外围中温燃烧，解决了炉壁结皮对分解炉燃烧温度的限制，从整体上提升燃烧温度，从而提高燃料燃烧速度。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明利用水泥生产线烧成工艺特点，开发了一种带还原炉和分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统及工艺。通过三次风、燃料、生料的分级设计，在还原炉和分解炉的组合燃烧空间中形成不同过氧系数的强还原区-弱还原区-燃烬区相结合的纵向梯度燃烧环境；并通过入炉三次风和低氧窑气的结构设计，使三次风从分解炉底部中心纵向向上垂直射流进风，烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风，在分解炉截面上形成浓淡含氧区的横向分区燃烧环境；两种燃烧环境相结合，从而从整体上实现了分区组织燃烧自脱硝，既能有效地提高自脱硝效率，同时也不影响分解炉内燃料的充分燃烬和生料的完全分解，对水泥熟料生产过程无不良影响。具有系统工艺合理、可靠性好、适应性强等优点，可降低企业环保治理成本，可在水泥工程新建生产线和老线脱硝技改中进行推广应用，具有很强可操作性和实用性。

2、本发明通过在分解炉前增加还原炉，大幅度延长了还原炉内烟气的停留时间，扩大了强还原区容积，促进了燃料与出窑烟气的混合，即增加强还原区脱硝反应的时间，从而更加彻底地还原回转窑出窑烟气中的NOx，提升自脱硝效率。

3、本发明通过燃料分级使还原炉内形成强还原气氛，出回转窑烟气中的NOx在此处被还原为N₂；通过三次风分级使分解炉下柱体形成弱还原气氛，抑制了分解炉内燃料燃烧过程中燃料型NOx的生成，从而整体上大幅度地降低水泥生产过程产生的烟气中NOx的本底浓度，实现烧成过程中NOx源头减排，分解炉上柱体内为氧化气氛，保证燃料充分燃烬，达到环保控制和绿色生产的目的。

4、本发明通过使三次风从分解炉底部中心纵向向上垂直射流进风，出还原炉烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风，在旋转离心力作用下，烟气在分解炉外围形成淡氧区，三次风在分解炉中心形成浓氧区，实现炉体中心浓氧区高温燃烧，外围淡氧区中温燃烧的分区燃烧环境；使得中心浓氧区温度可以提高至1300℃，燃烧温度相对提高了100～200℃，从而提高了燃料燃烧速度；外围淡氧区继续还原烟气中NOx，外围淡氧区温度不高于1150℃，炉壁不结皮；解决了提升燃烧区温度与防止炉壁结皮的矛盾，既可提高分解炉中心区燃烧温度，也不增加分解炉炉壁结皮风险，拓宽外围炉壁结皮对分解炉燃烧温度的限制，从整体上提升分解炉内燃料燃烧速度，提升燃烬度，降低烧成系统的燃料消耗，具有非常重要的现实意义。

5、本发明中设于还原炉出口下方的分解炉燃料喂料点，使得燃料先与氧气含量高的三次风混合，更有利于燃料的起燃着火，在实现自脱硝的同时强化了分解炉内燃料的燃烧效果，实现节能降耗。

附图说明

图1是本发明的实施例一提供的系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例一提供的还原炉的结构示意图；

图3是本发明的实施例一提供的三次风下支管的结构示意图；

图4是本发明的实施例一提供的分解炉和还原炉出口风管的结构示意图；

图5是本发明的实施例二提供的系统的结构示意图；

图6是本发明的实施例三提供的系统的结构示意图。

图中：

A-回转窑烟气；B-三次风；C-出炉烟气；D-入炉生料；

100-外围淡氧区；200-中心浓氧区；300-强还原区；400-弱还原区；500-燃烬区；

1-分解炉；11-分解炉锥体；12-分解炉柱体；12a-分解炉下柱体；12b-分解炉上柱体；13-分解炉中部缩口；

2-还原炉；21-还原炉底部缩口；22-还原炉锥体；23-还原炉柱体；24-还原炉出口风管；24a-还原炉出口上行管道；24b-还原炉出口下行管道；

3-三次风管；31-三次风下支管；311-三次风下支管的底部弯头；32-三次风上支管；33-三次风阀门；

41-分解炉燃料喂料点；42-还原炉燃料喂料点；

51-分解炉生料下喂料点；52-分解炉生料上喂料点；53-还原炉生料喂料点；

6-窑尾烟室；

71-卸料仓；72-料管；73-锁风阀；

带箭头虚线为气流方向；带箭头实线为料流方向。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图1～4，本发明的实施例提供一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，包括回转窑、连接回转窑窑尾的窑尾烟室6、分解炉1、连接窑尾烟室6与分解炉1的还原炉2、和三次风管3；所述还原炉2位于窑尾烟室6上方，回转窑烟气通过窑尾烟室6进入还原炉2。分解炉1、还原炉2和三次风管3内均设耐火材料。

所述分解炉1位于还原炉2之后，出还原炉2的烟气与三次风B在分解炉1汇合。分解炉1由分解炉锥体11和分解炉柱体12组成。还原炉2出口与分解炉锥体11侧面或分解炉柱体12底部侧面连接，本实施例中还原炉2出口与分解炉锥体11侧面连接，使出还原炉2的烟气从分解炉锥体11侧面蜗壳式切向旋流进入，分解炉处的烟气进入风向与水平方向的夹角为±30°范围内，烟气进入分解炉后在离心力下沿分解炉外壁旋转向上运动；所述三次风管3分上下两个支管，包括三次风下支管31和三次风上支管32，三次风下支管31位于分解炉锥体11正下方，三次风下支管31与分解炉锥体11底部连接，使三次风从分解炉底部中心纵向向上进入，在分解炉截面上形成中心浓氧区200和外围淡氧区100的气流分布环境；三次风上支管32与分解炉柱体12的中部连接，三次风上支管32出风口处所在的截面a-a将分解炉柱体12分为分解炉上柱体12b和分解炉下柱体12a两部分。

还原炉2内为强还原区，还原炉燃料喂料点42喂入过量燃料，使还原炉2内形成强还原气氛，将出窑烟气中的NOx充分还原；三次风上支管32以下的分解炉内空间为弱还原区，抑制分解炉1燃料燃烧产生的NOx；三次风上支管32以上的分解炉内空间为燃烬区，满足燃料燃烧用氧需求；在还原炉2和分解炉1的组合燃烧空间中形成强还原区300-弱还原区400-燃烬区500相结合的纵向梯度燃烧环境。

本发明实现自脱硝功能的工作原理：回转窑烟气A通过窑尾烟室6后进入还原炉2。由于回转窑内水泥熟料的烧结温度一般为1350～1450℃，回转窑烟气A中NOx浓度往往较高，一般为800～1500ppm，O₂含量低，一般为5％以内，CO₂含量高。在还原炉2内设有还原炉燃料喂料点42，通过喷入过量燃料使还原炉2内形成强还原气氛。燃料的类型可以为煤、石油、天然气或者其它替代燃料。还原炉2内过氧系数控制在0.8以下，燃料在缺氧状态下燃烧产生CO，CO与出窑烟气中的NOx反应，降低NOx的浓度。

出还原炉2的低氧烟气通过还原炉出口风管24从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进入分解炉锥体11中，并在离心力作用下沿分解炉外壁旋流向上运动，三次风从分解炉底部中心纵向向上进入，形成中心浓氧区200，外围淡氧区100的气流分布，防止了炉壁结皮；还原炉2中过量的燃料在分解炉锥体11中与三次风接触后继续燃烧，同时由于三次风的分风，分解炉锥体11和分解炉下柱体12a内形成弱还原气氛，使得分解炉内燃料燃烧过程中燃料型NOx的生成受到抑制，并将出还原炉烟气中未反应的NOx进一步还原。在强还原区300和弱还原区400中未完全燃烧的燃料进入燃烬区500后可以进一步燃烧，保证燃料充分燃烬。

优选的，所述还原炉2从下往上依次由还原炉底部缩口21、还原炉锥体22、还原炉柱体23和还原炉出口风管24组成，所述还原炉底部缩口21与窑尾烟室6连接，所述还原炉出口风管24与分解炉锥体11侧面连接。所述还原炉燃料喂料点42位于还原炉锥体22上，还原炉燃料喂料点42的数量为1～4支。入还原炉2的燃料占入还原炉2和分解炉1燃料总和的比例大于20％。燃料从还原炉燃料喂料点42喂入后，部分燃料燃烧放热使还原炉锥体22处温度上升。为了避免高温，还原炉2上设还原炉生料喂料点53，还原炉生料喂料点53位于还原炉柱体23或还原炉锥体22上，还原炉生料喂料点53的数量为1个或2个，还原炉生料喂料点53位于还原炉燃料喂料点42上方。还原炉生料喂料点53喂入的生料量控制还原炉内温度范围为850～1150℃，防止因燃料燃烧引起还原炉内温度过高而出现结皮问题。

还原炉出口风管24包括还原炉出口上行管道24a和还原炉出口下行管道24b，还原炉出口上行管道24a与还原炉柱体23连接，还原炉出口下行管道24b与分解炉锥体11侧面连接，还原炉出口风管24先上行再下行后与分解炉锥体11侧面连接，使得还原炉的高度不受分解炉锥体11位置的限制，因此可通过加高还原炉的高度来延长强还原区内脱硝反应时间，提升脱硝效率。

进一步优选的，所述还原炉底部缩口21的截面积小于还原炉柱体23的截面积，还原炉底部缩口21的形状为圆形或多边形，缩口处截面风速大于6m/s，用于防止生料通过还原炉2底部短路进入窑尾烟室6内而影响水泥熟料质量。

优选的，所述分解炉燃料喂料点41至少有一支位于还原炉出口的下方，分解炉此处燃料先与氧气含量高的三次风混合，更有利于燃料的起燃着火，并随三次风向上运动，使燃料燃烧区间主要为分解炉中心浓氧区。为了防止分解炉内燃烧温度过高，在分解炉下柱体12a设分解炉生料喂料点，入分解炉的生料分上下两层喂入，两个分解炉生料喂料点均位于三次风上支管32进风口的下方。具体为，在还原炉出口下方的分解炉燃料喂料点41之上设分解炉生料下喂料点51，且分解炉生料下喂料点51位于分解炉锥体11上或位于分解炉柱体12下部，生料从分解炉生料下喂料点51进入分解炉后，在高温下吸热分解，降低炉内的温度，一般要求分解炉炉壁附近的烟气温度低于1150℃，通过生料量控制分解炉内外围淡氧区温度，防止炉壁高温结皮。同时，在分解炉柱体12上设分解炉生料上喂料点52，分解炉生料上喂料点52位于分解炉柱体12中部，通过设置在分解炉物料管上的分料阀(图中未示出)将一部分生料喂入分解炉生料上喂料点52，以减少从分解炉生料下喂料点51喂入的生料量，提升分解炉下部温度。

燃料从分解炉燃料喂料点41喂入后，生料在分解炉2内分解，生料分解所需的热量由入分解炉的燃料提供。通过控制三次风上支管32上的三次风阀门33开度进而控制向分解炉上柱体12b的三次风分风量。由于一部分三次风直接进入分解炉上柱体12b，分解炉锥体11和分解炉下柱体12a内的三次风量不足而产生还原气氛形成弱还原区400，控制弱还原区过氧系数为0.8～1.0，燃料在还原气氛下燃烧时，燃料中的N元素主要生成N₂，而分解炉燃料燃烧产生的NOx受到抑制。

三次风下支管31位于分解炉锥体11的正下方，控制从三次风下支管31进入的三次风入炉口处风速不低于10m/s，可以使分解炉锥体11内的生料悬浮，防止物料短路引起塌料现象。

带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统中形成强还原区300-弱还原区400-燃烬区500相结合的纵向梯度燃烧环境。强还原区300为还原炉2内空间，在还原炉2内设有还原炉燃料喂料点42，通过喷入过量燃料使还原炉2内形成强还原气氛。弱还原区400包括分解炉锥体11和分解炉下柱体12a内的空间，三次风上支管32将一部分三次风引入分解炉下柱体12a上方，分解炉下柱体12a和分解炉锥体11内因燃烧空气不足而形成弱还原气氛。燃烬区500为分解炉上柱体12b内空间，三次风3从三次风下支管31和三次风上支管32进入分解炉1内，分解炉上柱体12b内为氧化气氛，用于燃料燃烬。通过强弱还原区的梯度燃烧方式，既能还原回转窑烟气A中的NOx，也能抑制分解炉1内燃料燃烧过程中产生的NOx，从而整体上降低出分解炉出炉烟气C中的NOx含量，实现烧成过程中自脱硝功能。同时，通过出还原炉2的低氧烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风，三次风从分解炉底部中心纵向向上进入，形成中心浓氧区200，外围淡氧区100的气流分布，使燃料燃烧区间主要为分解炉中心浓氧区，防止了炉壁结皮。另外，在强还原区300和弱还原区400中未完全燃烧的燃料进入燃烬区500后可以进一步燃烧，保证燃料充分燃烬。

综上，本发明通过三次风、燃料、生料的分级设计，形成强还原区-弱还原区-燃烬区的纵向梯度燃烧环境，在燃料燃烧和生料分解的过程中利用燃烧中间产物CO还原NOx，实现烟气自脱硝。并利用三次风从分解炉底部纵向向上进风、出还原炉烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风的形式，在分解炉截面上形成中心浓氧区和外围淡氧区的气流分布环境，使得燃料在中心浓氧区燃烧速度快，在外围淡氧区燃烧速度慢，实现外围淡氧区温度不高于1150℃，炉壁不结皮，中心浓氧区温度可以提高至1300℃，提升燃料燃烧速度。本发明基于浓淡含氧区的分区燃烧分解炉结构，在分解炉前增加独立的还原炉，使强还原区位于还原炉内，大幅延长了强还原区内烟气的停留时间，增加强还原区脱硝反应的时间，从而更加彻底地还原出窑烟气中的NOx，提升自脱硝效率同时保证了燃料的充分燃烬和生料的完全分解。

实施例2

与实施例1不同的是，分解炉柱体12上设有分解炉中部缩口13。

请参阅图5，分解炉柱体12上设有分解炉中部缩口13。分解炉中部缩口13位于分解炉生料上喂料点52下方。从分解炉生料上喂料点52进入的生料在重力作用下有向下运动的趋势，通过在分解炉生料上喂料点52下方设置分解炉中部缩口13，缩口处的截面风速相对柱体截面风速变大，可以有效地减少生料下落的高度，防止分解炉内发生塌料现象。

实施例3

与实施例1不同的是，三次风下支管的底部弯头311下方设卸料仓71，料管72和锁风阀73。

请参阅图6。优选地，在三次风管下支管31的底部弯头下方设卸料仓71和与卸料仓71连接的料管72，料管72两端连接卸料仓71和窑尾烟室6。当出现事故停机时，分解炉内的物料在重力作用下可落入卸料仓71内，并通过料管72进入窑尾烟室6，并进入回转窑内，无需人工清理物料。料管72上设锁风阀73，用于防止或减少窑尾烟室6内的出窑烟气从料管73窜风进入分解炉内。

实施例4

采用上述系统进行分区组织燃烧自脱硝的工艺，该工艺采用在分解炉内截面上形成中心浓氧区200、外围淡氧区100的分区燃烧环境，并在还原炉2和分解炉1的组合燃烧空间中形成强还原区300-弱还原区400-燃烬区500相结合的纵向梯度燃烧环境，实现自脱硝和燃料燃烬；所述分区燃烧环境通过使三次风从分解炉底部中心纵向向上进风，出还原炉的烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风来实现，在旋转离心力作用下，出还原炉的烟气在分解炉的外围形成淡氧区，三次风在分解炉的中心形成浓氧区；所述梯度燃烧环境通过三次风、燃料、生料的分级喂入来实现；所述强还原区300为位于还原炉2内的区域，还原炉内喂入过量燃料，控制强还原区过氧系数小于0.8；所述弱还原区400为三次风上支管32以下的分解炉区域，调节三次风的分风比例控制弱还原区过氧系数为0.8～1.0，抑制分解炉燃料燃烧产生的NOx；所述燃烬区500为三次风上支管32以上的分解炉区域，控制燃烬区过氧系数大于1.0，满足燃料燃烧用氧需求；调节还原炉内生料喂入量，控制还原炉内平均温度为850～1150℃，调节分解炉内生料喂入量，控制分解炉内平均温度为850～1150℃，且控制分解炉内外围淡氧区温度低于1150℃。

优选的，入还原炉2的燃料占入还原炉2和分解炉1燃料总和的比例大于20％，保证还原炉内喂入过量的燃料，控制还原炉2内过氧系数小于0.8。

优选的，还原炉底部缩口21处的截面风速大于6m/s，用于防止生料通过还原炉底部短路进入窑尾烟室6内而影响水泥熟料质量。

优选的，三次风下支管31的入炉口处风速不低于10m/s，可以使分解炉锥体11内的生料悬浮，防止物料短路引起塌料现象。

综上，本发明的分区组织燃烧自脱硝的工艺，通过在还原炉上喂入过量燃料，过氧系数小于0.8，形成强还原区；通过三次风的分风，使分解炉下柱体形成弱还原气氛，过氧系数为0.8～1.0，分解炉上柱体内为氧化气氛，过氧系数大于1.0；进而在在还原炉和分解炉的组合燃烧空间中形成不同过氧系数的强还原区-弱还原区-燃烬区相结合的纵向梯度燃烧环境，强还原区还原出回转窑烟气中的NOx，弱还原区抑制分解炉内燃料燃烧过程中燃料型NOx的生成，燃烬区使得燃料充分燃烧。并利用三次风从分解炉底部纵向向上进风、出还原炉烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风的形式，在分解炉截面上形成中心浓氧区和外围淡氧区的气流分布环境，使得燃料在中心浓氧区燃烧速度快，在外围淡氧区燃烧速度慢，实现外围淡氧区温度不高于1150℃，炉壁不结皮，中心浓氧区温度可以提高至1300℃，提升燃料燃烧速度。本发明从整体上大幅度地降低水泥生产过程产生的烟气中NOx的本底浓度，抑制了分解炉内燃料燃烧过程中燃料型NOx的生成，实现烧成过程中NOx源头减排，提升自脱硝效率同时保证了燃料的充分燃烬和生料的完全分解，达到环保控制和绿色生产的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，包括回转窑、连接回转窑窑尾的窑尾烟室、分解炉、分解炉燃料喂料点和三次风管；其特征在于，还包括连接窑尾烟室与分解炉的还原炉，还原炉燃料喂料点；所述还原炉位于窑尾烟室上方；

所述还原炉的出口与分解炉锥体侧面或分解炉柱体底部侧面连接，使出还原炉的烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进入，烟气进入方向与水平方向的夹角为±30°范围内；所述三次风管分上下两个支管，包括三次风下支管和三次风上支管，所述三次风下支管位于分解炉锥体正下方，三次风下支管与分解炉锥体底部连接，使三次风从分解炉底部中心纵向向上进入，在分解炉截面上形成中心浓氧区和外围淡氧区的气流分布环境；所述三次风上支管与分解炉柱体的中部连接；

所述还原炉内为强还原区；所述三次风上支管以下的分解炉内空间为弱还原区，；所述三次风上支管以上的分解炉内空间为燃烬区；在还原炉和分解炉的组合燃烧空间中形成强还原区-弱还原区-燃烬区相结合的纵向梯度燃烧环境。

2.如权利要求1所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述还原炉从下往上依次由还原炉底部缩口、还原炉锥体、还原炉柱体和还原炉出口风管组成，所述还原炉底部缩口与窑尾烟室连接，所述还原炉出口风管与分解炉锥体侧面或分解炉柱体底部侧面连接。

3.如权利要求2所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述还原炉燃料喂料点位于还原炉锥体上，还原炉燃料喂料点的数量为1～4支。

4.如权利要求2所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述还原炉上设还原炉生料喂料点，所述还原炉生料喂料点位于还原炉柱体或还原炉锥体上，还原炉生料喂料点的数量为1个或2个，所述还原炉生料喂料点位于还原炉燃料喂料点上方。

5.如权利要求2所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述还原炉底部缩口的截面积小于还原炉柱体的截面积。

6.如权利要求2所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述还原炉出口风管包括还原炉出口上行管道和还原炉出口下行管道，所述还原炉出口上行管道与还原炉柱体连接，所述还原炉出口下行管道与分解炉连接。

7.如权利要求1所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述分解炉燃料喂料点至少有一支位于还原炉出口的下方。

8.如权利要求7所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述分解炉柱体中下部设分解炉生料喂料点，分解炉生料喂料点包括分解炉生料下喂料点和分解炉生料上喂料点，两个分解炉生料喂料点均位于三次风上支管进风口的下方；所述分解炉生料下喂料点位于还原炉出口下方的分解炉燃料喂料点之上，且位于分解炉锥体上或位于分解炉柱体下部；分解炉生料上喂料点位于分解炉柱体中部。

9.如权利要求8所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述分解炉柱体上设有分解炉中部缩口，所述分解炉中部缩口位于分解炉生料上喂料点下方。

10.如权利要求1所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述三次风上支管和三次风下支管上均设三次风阀门。

11.如权利要求1所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝系统，其特征在于，所述三次风下支管的底部弯头下方设卸料仓和与卸料仓连接的料管，所述料管另一端与窑尾烟室连接，所述料管上设锁风阀。

12.一种基于权利要求1所述的系统进行带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝工艺，其特征在于，该工艺采用在分解炉内截面上形成中心为浓氧区、外围为淡氧区的横向分区燃烧环境，并在还原炉和分解炉的组合燃烧空间中形成强还原区-弱还原区-燃烬区相结合的纵向梯度燃烧环境，实现自脱硝和燃料燃烬；所述横向分区燃烧环境通过使三次风从分解炉底部中心纵向向上进风，出还原炉的烟气从分解炉侧面蜗壳式切向旋流进风来实现，在旋转离心力作用下，出还原炉的烟气在分解炉的外围形成淡氧区，三次风在分解炉的中心形成浓氧区；所述纵向梯度燃烧环境通过三次风、燃料、生料的分级喂入来实现；所述强还原区为位于还原炉内的区域，还原炉内喂入过量燃料，控制强还原区过氧系数小于0.8，还原出窑烟气中的NOx；所述弱还原区为三次风上支管以下的分解炉区域，调节三次风的分风比例控制弱还原区过氧系数为0.8～1.0，抑制分解炉燃料燃烧产生的NOx；所述燃烬区为三次风上支管以上的分解炉区域，控制燃烬区过氧系数大于1.0，满足燃料燃烧用氧需求；还原炉内平均温度控制在850～1150℃，分解炉内平均温度控制在850～1150℃，且控制分解炉内外围淡氧区温度低于1150℃。

13.如权利要求12所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝工艺，其特征在于，入还原炉的燃料占入还原炉和分解炉燃料总和的比例大于20％。

14.如权利要求12所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝工艺，其特征在于，所述还原炉底部缩口处的截面风速大于6m/s。

15.如权利要求12所述的带还原炉与分解炉的分区组织燃烧自脱硝工艺，其特征在于，所述三次风下支管的入炉口处风速不低于10m/s。

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