CN111964435B - 一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于低NOx燃烧技术领域的一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统及方法。该系统包括窑尾烟气NOx深度还原炉，分离器，还原性气体喷管，焦炭喷管，分解炉等。窑尾烟气与煤粉一起进入NOx深度还原炉，煤粉在高温低氧下热解产生挥发分以及焦炭，形成强还原性气氛还原窑尾烟气NOx，将NOx完全还原；挥发分等气体送入分解炉中部还原区，将主燃区生成的NOx还原成N₂；高温三次风管通入分解炉的底部主燃区以及上部燃尽区，实现分级燃烧；燃尽区内不会再有焦炭N释放，从而实现NOx超低排放。本发明实现大大降低回转窑烟气及分解炉烟气中NOx的含量，同时实现煤粉的高效燃烧。可以取消喷氨工序，降低相应的成本，并减少氨逃逸引发的二次污染问题。

Description

一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统及方法

技术领域

本发明属于低NOx燃烧技术领域，特别涉及一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统及方法。

背景技术

水泥生产是一种高能耗、高污染的过程，尤其是氮氧化物的排放，成为继火力发电、交通运输之后的第三大排放源。近三十多年来，我国的水泥产量一直居世界首位，2019年产量达23.3亿吨，而氮氧化物NOx的排放在2017年达105.8万吨左右。NOx的大量排放造成了光化学烟雾、酸雨、雾霾等环境问题，严重威胁人类健康。因此，国家对于水泥行业氮氧化物的排放出台了严格的排放标准，现行的GB 2013《水泥行业大气污染物排放标准》中规定水泥生产NOx的排放限值不超过400mg/Nm³，重点地区不超过320mg/Nm³。而随着我国对环境保护越来越重视，大气污染物排放的限制也将会越来越严格，因此，对水泥行业进一步降低NOx的排放已刻不容缓。

水泥生产过程中的两大主要设备是分解炉和回转窑，分解炉中主要进行水泥生料的分解，热量来源是由煤粉燃烧提供。分解炉温度在850～1100℃左右，因此产生的NOx主要为燃料型NOx，出口烟气NOx原始排放浓度为800～1300mg/Nm³。回转窑中主要进行物料的熔融以及重结晶过程进而烧成水泥熟料，热量同样主要由煤粉燃烧提供，但回转窑内的温度能够达到1700℃以上，因此产生的氮氧化物主要为热力型NOx，窑尾烟气NOx原始排放浓度为1500～2600mg/Nm³。因此，水泥行业的脱硝也主要从回转窑和分解炉开展，但限于回转窑特殊工艺以及水泥质量的要求，降低NOx排放的重点主要在于降低分解炉的NOx排放。

分级燃烧技术近年来已被广泛应用于水泥分解炉的生产过程，其主要是指通过合理地组织煤粉与空气的混合方式，在炉内营造出局部燃料过量、O₂缺少的还原性区域，利用其中高活性的碳氢化合物CxHy将已生成的NOx再还原为N₂。燃烧所需的剩余空气在燃尽区补入炉内实现燃料的完全燃烧。专利201620146093.3一种高效环保型分解炉将脱硝风管(燃尽风)设置在炉体中部提高还原区的空间，延长煤粉在还原区停留时间，实现空气分级；专利201721469057.1一种分级节能燃烧分解炉，在分解炉锥形部中建立脱硝还原区，将分解炉用煤的一部分分布到该区域内，使其缺氧燃烧以便产生CO、CH₄和固定碳等还原剂，与窑尾烟气中的NOx反应；专利201610012222.4一种带有预燃炉的低氮氧化物分解炉在预燃炉物料以及烟气进入之前形成还原区实现分级燃烧。分级燃烧技术针对分解炉内产生的NOx而在分解炉内营造出还原性气氛，没有对回转窑尾烟气内的NOx的还原采取相应措施，所以分解炉出口处的NOx排放仍然会大于300mg/Nm³。

空气热解气化技术是指煤粉在空气气氛下部分燃烧后在高温状态产生挥发分以及还原性气体，然后将高温气固混合物一起送入分解炉燃烧。专利201711039993.3一种水泥分解炉煤粉预气化低燃烧系统及方法，煤粉在预热气化炉中部分燃烧生成热解气与焦炭混合物一起送至还原区；专利201710302677.4水泥分解炉高温三次风煤气化再燃高效脱硝系统设置了煤气化管利用水蒸气将小部分煤粉热解，产生高浓度的CO和CH₄等还原性气体与焦炭等一起送入分解炉内还原NOx；专利201910699360.8一种水泥分解炉煤粉高效气化低氮燃烧技术装置，气化炉中煤粉由高温三次风提供热量热解气化，产生的热解气和焦炭等一起由还原性气体管送至分解炉。空气热解气化技术试图降低煤粉在分解炉内燃烧产生的NOx，但没有去解决窑尾烟气中含量高达1500～2600mg/Nm³的NOx的脱除。

尽管目前分级燃烧已广泛应用于水泥分解炉，但窑尾烟气直接进入分解炉底部并快速与三次风混合形成复杂湍流流场，窑尾烟气中的NOx被稀释而不易被还原；煤粉喷入后直接燃烧，煤粉自身燃烧产生的NOx与回转窑产生的NOx会混合在一起，增加了NOx被进一步还原的难度；现有分级燃烧技术由于燃尽风的推迟补入使得煤粉(主要是煤中的焦炭)的燃烧过程推迟而导致燃烧不完全，造成生产水泥的煤耗增加；空气分级燃烧技术在燃尽区喷入剩余空气后，剩余焦炭发生燃烧、焦炭N继续转化为NOx，而燃尽区已无还原性气氛，使得NOx浓度在燃尽区又再次抬升，无法进一步降低NOx的排放。热解气化技术将煤的高温气固混合物一起送入分解炉燃烧不能有效利用其还原物质降低回转窑烟气中的NOx，也同样不能解决燃尽区内由于焦炭燃烧而释放出的NOx问题，NOx的排放仍然较高，不能达到NOx的超低排放，需要通过后续的SNCR甚至SCR进一步降低NOx的浓度。再者，随着排放标准的越来越严格，现有SNCR与SCR的应用也会需要更多的喷氨量。这不仅增加了水泥的生产成本，其中的氨还可能会与烟气中的SO₂反应导致堵塞或腐蚀问题，以及氨逃逸造成的二次污染问题。为解决现有燃烧技术中煤粉燃烧不完全导致煤耗较高，分解炉出口NOx浓度较高，SNCR喷氨成本高以及氨逃逸二次污染问题，因此，研究一种在燃烧过程深度还原NOx并能实现焦炭完全燃尽的燃烧技术有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统及方法，其特征在于，在窑尾烟气NOx深度还原炉上设有生料喷管和煤粉喷管；其下方连接回转窑出口窑尾烟室；在窑尾烟气NOx深度还原炉的出口连接气固分离器，气固分离器顶部出口连接还原性气体喷管；还原性气体喷管分别连接分解炉中部和下部；气固分离器底部固体出口通过焦炭喷管连接至分解炉底部，将焦炭喷入分解炉；并在分解炉下部的炉壁上设有生料喷管和煤粉喷管；在分解炉的底部和上部分别连接三次风喷管；在分解炉的最上部连接喷氨管。

所述降低NOx排放系统包括：窑尾烟气NOx深度还原炉、气固分离器、还原性气体喷管和焦炭喷管；

所述窑尾烟气NOx深度还原炉上设有生料喷管、煤粉喷管，其下方连接回转窑出口窑尾烟室；所述还原性气体喷管分别连接分解炉中部和下部；一部分还原性气体送至分解炉中部、另一部分还原性气体送至分解炉下部；分离器底部固体出口连接至分解炉底部，将焦炭喷入分解炉；在分解炉的炉壁上设有生料喷管、煤粉喷管，将部分生料以及煤粉可以直接送入分解炉。

所述分解炉的底部以及上部设置三次风管，三次风温度为900～1000℃，三次风分级送入分解炉。

所述分解炉的顶部设有喷氨管，喷氨量以根据实际NOx的排放浓度灵活选择，在满足现有的排放标准下可以省略喷氨步骤。

一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统进行煤粉解耦燃烧方法，包括以下步骤：

a.回转窑窑尾温度在1100℃左右的烟气进入窑尾烟气NOx深度还原炉中，同时高浓度煤粉在送煤风作用下被送入该处；煤粉被窑尾烟气加热，热解释放挥发分产生烃类物质CxHy，以及大量含氮中间物HCN、NH₃的还原性物质，形成强还原性气氛；还原炉中煤粉的过量空气系数很低，大量还原性物质将窑尾烟气中的NOx还原成N₂，使其中的NOx浓度接近于0，从而大大降低回转窑中产生的NOx；

b.一小部分生料进入窑尾烟气NOx深度还原炉吸收煤燃烧热量进行分解，从而实现温度控制，之后随煤粉热解气、焦炭一起进入与出口连接的分离器中；

c.窑尾烟气NOx深度还原炉中的热解气以及焦炭的高温气固混合物进入气固分离器分离，固体焦炭由分离器下部进入分解炉底部的主燃区进行燃烧，由三次风提供所需氧量；

d.当分解炉底部三次风提供的氧气被焦炭以及煤粉燃烧消耗完后，由于富煤贫氧而形成还原区；同时分离器中的挥发分和大量还原性含氮中间物HCN、NH₃等气体经由还原性气体喷管喷入还原区，还原区中焦炭与CO₂、H₂O发生气化反应生成还原性气体CO和H₂，形成较强的还原性气氛，还原主燃区中焦炭燃烧产生的NOx；

e.当分解炉内烟气中的NOx在还原区被还原后，在燃尽区补入三次风，燃烧还原性气体，实现燃料的完全燃烧；由于焦炭已经在主燃区和还原区燃尽，焦炭N已经在主燃区和还原区完全释放出来并且被还原性气体还原，燃尽区内不会再有焦炭N释放，从而实现NOx超低排放。

本发明的有益效果是能够实现大大降低回转窑烟气以及分解炉烟气中NOx的含量，同时可以实现煤粉的高效燃烧，从而实现NOx超低排放；本发明具有特点如下：

1.焦炭进入分解炉底部主燃区可以立即进行燃烧，由于焦炭在主燃区和还原区已经燃尽，提高了焦炭在燃烧时间内燃烧效率，降低了生产水泥煤耗。

2.气固分离器出口的另一部分还原性气体送至分解炉下部，用于增加分解炉底部的气流速度，将生料颗粒输送至分解炉顶部，使其在分解炉中悬浮分解，避免大量生料颗粒下落至分解炉底部造成生料颗粒的分解率较低。

3.为了避免少量生料会从分解炉气流中下落至底部堆积，在分解炉底部装有生料输送管，用于将下落的生料送至回转窑。

4.焦炭N能够在主燃区和还原区提前完全释放，转化为NOx，分离器分离出的活性较强的碳氢化合物CxHy进入还原区还原这部分NOx，大大降低了燃尽区焦炭N的释放，从而降低出口的NOx浓度。

5.在燃烧中大大降低NOx的浓度，可以使燃尽区出口、喷氨区入口的NOx浓度较低，大大降低喷氨量甚至在满足现有排放标准的前提下可以省略此步骤，降低喷氨的成本，也可以降低氨逃逸引发的二次污染问题。

附图说明

图1为水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统的技术方案的结构示意图。

图中标号：1.窑尾烟室，2.回转窑，3.煤粉喷管，4.生料喷管，5.窑尾烟气NOx深度还原炉，6.还原性气体喷管，7.气固分离器，8.焦炭喷管，9.分解炉，10.三次风喷管，11.喷氨管。

具体实施方式

本发明提供一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统及方法，所述煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统主要包括分解炉、三次风喷管，窑尾烟气NOx深度还原炉、气固分离器以及对应的还原性气体喷管、焦炭喷管等。下面将结合附图进行详细完整的对系统予以描述。

如图1所示，在窑尾烟气NOx深度还原炉5上设有生料喷管4和煤粉喷管3；其下方连接回转窑2出口窑尾烟室1；在窑尾烟气NOx深度还原炉5的出口连接气固分离器7，气固分离器7顶部出口连接还原性气体喷管6；还原性气体喷管6分别连接分解炉9中部和下部；即将一部分还原性气体送至分解炉9中部、另一部分还原性气体送至分解炉9下部；气固分离器7底部固体出口通过焦炭喷管8连接至分解炉9底部，将焦炭喷入分解炉9；并在分解炉9下部的炉壁上设有生料喷管4和煤粉喷管3，部分生料以及煤粉可以直接送入分解炉9；在分解炉9的底部和上部分别连接三次风喷管10，在分解炉9的最上部连接喷氨管11。

分解炉中的NOx主要包括两部分，一部分是回转窑2中窑尾烟气中的热力型NOx，另一部分是分解炉9中煤粉燃烧产生的NOx。

在回转窑2中进行物料的熔融以及重结晶过程中，温度可达1700℃以上，因此产生大量的热力型NOx。对于这部分NOx，采用添加窑尾烟气NOx深度还原炉5的方式脱除；具体方式如下：窑尾烟气NOx深度还原炉5位于回转窑2窑尾烟室1的上方，由边壁上的煤粉喷管3与生料喷管4送入生料以及煤粉，大部分煤粉在送粉风的作用下被送入窑尾烟气NOx深度还原炉5中，同时抽取温度在1100℃左右的窑尾烟气进入；在高温低氧的环境下，煤粉被加热，热解释放挥发分产生烃类物质CxHy，以及含氮中间物HCN、NH₃等大量还原性物质以及焦炭等，形成强还原性氛围。窑尾烟气NOx深度还原炉5中煤粉的过量空气系数很低，可以将窑尾烟气中的NOx完全还原成N₂，使其中的NOx浓度接近于0，实现了窑尾烟气部分NOx的还原；部分生料由边壁上的生料喷管4进入窑尾烟气NOx深度还原炉5，吸收窑尾烟气中的热量分解，并对窑尾烟气NOx深度还原炉5的温度进行调节，分解后的物料随煤粉热解气、焦炭等进入出口连接的气固分离器7；煤粉热解气化产生的高温混合物(还原性气体、焦炭等固体物质)在气固分离器7进行气固分离；分离后的固体物质(包括焦炭等)通过分离器7下部的焦炭喷管8进入分解炉9的底部。由三次风喷管10送入温度在900～1000℃的高温的三次风，焦炭送入后可直接与O₂发生氧化反应产生CO₂，释放热量。与传统燃烧方式相比，省略了挥发分的析出以及挥发分燃烧的时间，因此焦炭的燃烧时间延长，因而焦炭的燃烧效率提高。焦炭在与O₂发生氧化反应的同时，焦炭N较早的在主燃区释放转化为NOx；

从分解炉9边壁上设置煤粉喷管3送入的一部分煤粉可以直接进入分解炉9底部的主燃区燃烧，起到调节作用。同时，大部分生料由生料喷管4进入分解炉吸收煤粉以及焦炭等燃烧产生的热量分解；少量生料可能会从分解炉9气流中下落至底部，为了避免生料在分解炉9底部堆积，分解炉9底部装有生料输送管，用于将下落的生料送至回转窑；

由于给入分解炉9底部的三次风的量较少，煤粉、焦炭等将O₂消耗完后，会形成富燃缺氧的还原区，此时焦炭与CO₂以及H₂O等发生气化反应生成CO、H₂等还原性气体，同时在分离器7中分离出来的气相物质(包括挥发分烃类物质CxHy以及含氮中间物HCN、NH₃等大量还原性物质)通过还原性气体喷管6进入分解炉9中部的还原区，形成强还原性氛围，能够将主燃区内形成的NOx还原成N₂，大大降低分解炉9产生的NOx浓度；分离器分离出的另一部分还原性气体进入分解炉9的底部，用以增加分解炉9底部的气流速度，使生料颗粒能够被输送至分解炉9顶部，使其在分解炉9中悬浮分解，避免大量生料颗粒下落至分解炉底部造成生料颗粒的分解率降低；

当分解炉内烟气中的NOx在还原区被还原后，剩余的三次风由三次风管10的分管送入分解炉9上部的燃尽区，未完全燃尽的挥发分以及焦炭等还原性物质由于O₂的补入可以继续燃烧完全。由于焦炭已经在主燃区和还原区燃尽，焦炭N已经在主燃区和还原区完全释放出来并且被还原性气体还原，燃尽区内并不会再有焦炭N释放，从而实现NOx超低排放。

在分解炉9的顶部设有喷氨管11可以进一步降低NOx的浓度，在本发明的条件下，NOx的浓度能够大大降低，在满足现有排放标准下也可以省略喷氨步骤。在本发明中添加窑尾烟气NOx深度还原炉5，利用窑尾烟气的热量使喷入的煤粉热解，产生的还原性物质将回转窑2窑尾烟气中的NOx完全还原为N₂；

在本发明中将煤粉热解产生的高温混合物分离，焦炭进入分解炉9底部的主燃区可以立即进行燃烧，延长了焦炭在分解炉9中的燃烧时间，因而焦炭的燃烧效率较高；同时，焦炭N能够在主燃区和还原区提前完全释放，有效降低燃尽区焦炭N的量，从而降低分解炉9出口的NOx浓度；

在本发明中煤粉中易燃烧的活性很高的挥发分碳氢化合物CxHy以及含氮中间物HCN、NH₃等大量还原性物质被送入还原区，强还原性用于还原主燃区产生的NOx。

本发明可以在燃烧中大大降低NOx的浓度，使得分解炉出口、喷氨区初始的NOx浓度较低，大大降低喷氨量，可以降低相应的成本，也可以减少氨逃逸引发的二次污染问题。

Claims (3)

1.一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统，在窑尾烟气NOx深度还原炉上设有生料喷管和煤粉喷管；其下方连接回转窑出口窑尾烟室；其特征在于，在窑尾烟气NOx深度还原炉的出口连接气固分离器，在气固分离器顶部出口连接还原性气体喷管；还原性气体喷管分别连接分解炉中部和下部；一部分还原性气体送至分解炉中部、另一部分还原性气体送至分解炉下部；分离器底部固体出口连接至分解炉底部，将焦炭喷入分解炉；在分解炉的炉壁上设有生料喷管、煤粉喷管，将部分生料以及煤粉可以直接送入分解炉；气固分离器底部固体出口通过焦炭喷管连接至分解炉底部，将焦炭喷入分解炉；并在分解炉下部的炉壁上设有生料喷管和煤粉喷管；在分解炉的底部和上部分别连接三次风喷管；在分解炉的最上部连接喷氨管；三次风温度为900～1000℃，三次风分级送入分解炉；所述窑尾烟气NOx深度还原炉、气固分离器、还原性气体喷管和焦炭喷管组成降低NOx排放系统，实现NOx超低排放。

2.根据权利要求1所述一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统，其特征在于，所述分解炉的顶部设有喷氨管，喷氨量以根据实际NOx的排放浓度灵活选择，在满足现有的排放标准下省略喷氨步骤。

3.一种水泥分解炉煤粉解耦燃烧降低NOx排放系统进行煤粉解耦燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.回转窑窑尾温度在1100℃左右的烟气进入窑尾烟气NOx深度还原炉中，同时高浓度煤粉在送煤风作用下被送入该处；煤粉被窑尾烟气加热，热解释放挥发分产生烃类物质CxHy，以及大量含氮中间物HCN、NH₃还原性物质，形成强还原性气氛；还原炉中煤粉的过量空气系数很低，大量还原性物质将窑尾烟气中的NOx还原成N₂，使其中的NOx浓度接近于0，从而大大降低回转窑中产生的NOx；

b.一小部分生料进入窑尾烟气NOx深度还原炉吸收煤燃烧热量进行分解，从而实现温度控制，之后随煤粉热解气、焦炭一起进入与出口连接的分离器中；

c.窑尾烟气NOx深度还原炉中的热解气以及焦炭的高温气固混合物进入气固分离器分离，固体焦炭由分离器下部进入分解炉底部的主燃区进行燃烧，由三次风提供所需氧量；

d.当分解炉底部三次风提供的氧气被焦炭以及煤粉燃烧消耗完后，由于富煤贫氧而形成还原区；同时分离器中的挥发分和大量还原性含氮中间物HCN、NH₃气体经由还原性气体喷管喷入还原区，还原区中焦炭与CO₂、H₂O发生气化反应生成还原性气体CO和H₂，形成较强的还原性气氛，还原主燃区中焦炭燃烧产生的NOx；

e.当分解炉内烟气中的NOx在还原区被还原后，在燃尽区补入三次风，燃烧还原性气体，实现燃料的完全燃烧；由于焦炭已经在主燃区和还原区燃尽，焦炭N已经在主燃区和还原区完全释放出来并且被还原性气体还原，燃尽区内不会再有焦炭N释放，从而实现NOx超低排放。

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