CN112254529A - 一种水泥窑分解炉及降低氮氧化物的方法 - Google Patents

Abstract

一种水泥窑分解炉，包括分解炉的炉体、旋风预热器、换热管、蒸汽发生器、水煤气发生器、燃烧器和闭环控制系统。旋风预热器用于回收尾气热能加热生料，换热管用于回收熟料的热能并产生高温水蒸汽，高温水蒸汽与煤在水煤气发生器中反应生成水煤气。炉体分为还原区、燃烧区和燃尽区，在还原区通入煤粉和高温水蒸汽还原烟气中的氮氧化物，水煤气和三次风在燃烧区燃烧用来提高炉温。一种降低氮氧化物的方法，利用水泥窑产生的余热通过热能转换的方式重新返回到分解炉内，一方面降低了煤的用量，从根本上降低了氮氧化物的生成量；另一方面降低了各物料加入量的控制难度，并通过闭环控制的方式对氮氧化物进行还原反应，稳定实现对氮氧化物的达标排放。

Description

一种水泥窑分解炉及降低氮氧化物的方法

技术领域

本发明涉及水泥生产技术领域，尤其是涉及一种水泥窑分解炉，还涉及一种用于水泥窑分解炉的降低氮氧化物的方法。

背景技术

在水泥的生产过程中需要大量的煤作为燃料，煤在高温燃烧时不可避免地产生氮氧化物。水泥窑中氮氧化物的产生类型主要是热力型的，其次是原料型的和快速型的，其中，快速型产生的比例较小，可以忽略。热力型氮氧化物主要产生于回转窑内，回转窑内气相温度高达2200℃，在富氧的环境下生成大量的氮氧化物。在新型干法生产系统中，50%～60%的煤是在温度较低的分解炉中燃烧的，炉内温度不超过1000℃，在此温度下产生的氮氧化物以原料型氮氧化物为主。这些氮氧化物如果不能在分解炉内得到还原，将致使排放尾气中的氮氧化物严重超标。

据估计，我国水泥工业每年排放的氮氧化物约为100万吨左右。在氮氧化物中，NO和NO2是两种最重要的大气污染物。NO和血红蛋白的亲和力比CO大几百倍，动物接触高浓度的NO，可出现中枢神经病变。NO2对眼和呼吸气管有刺激作用，高浓度的NO2急性中毒能引起气管炎和肺气肿，严重者可导致死亡。因此，国家强制要求水泥生产企业严格执行国家排放标准，降低尾气中氮氧化物的排放量。

现有技术之一是在分解炉内通过分级燃烧技术降低氮氧化物的，即在窑尾烟室处通入煤粉或水煤气，产生还原性气体，再通过还原性气体与氮氧化物反应来降低氮氧化物含量的。由于生料的分解是吸热反应，因此还需在分解炉内加入煤和三次风，通过燃烧提高炉内温度，以维持生料的持续分解。这种方案在原理上是可行的，但在实际控制上很难稳定地做到氮氧化物的达标排放，原因如下：

1、煤的类型及来源不能稳定，不同类型的煤、或同类型不同产地的煤，其热值及煤内含氮化合物比例都存在较大的差别，造成窑内温度、氮化合物的生成量变化较大；

2、还原性气体的生成量不易控制，还原性气体过多会降低煤粉燃尽率和炉内温度，进而降低生料的分解率，而还原性气体过少又起不到降低氮氧化物的作用；

3、窑内燃烧温度不易控制，煤或三次风加量过多时，炉内温度高，易产生氮氧化物；煤或三次风加量过少时，温度低、生料的分解率降低；

4、水泥窑为连续生产性质，且为多参数物料输入，任一物料给料量的变化，都将引起其余物料给料量的变化；

5、窑内发生的氧化-还原反应是可逆的，反应物及生成物的温度及浓度决定着反应进行的方向；

6、反应存在复杂性和滞后性。

综上所述原因，现有的人工给料或自动给料系统很难做到稳定地控制氮氧化物的排放量。

从根本上来说，氮氧化物的产生取决于温度和氧浓度，温度的产生来自于回转窑的燃烧器（约占总量的40%～50%）和分解炉内煤粉的燃烧量。因此，最大限度地降低煤粉的用量具有重要的意义，对于分解炉来说，不仅能够降低煤粉中原料型氮氧化物的生成量，还能够减少硫化物的排放量，大幅减轻后期尾气的净化负担。

降低煤粉用量的核心问题是怎样在保证分解炉分解温度的前提下，提高热能的利用率。分解炉排出的尾气和回转窑生成的熟料带走大量的热能，虽然这些热能可以被其它用热设备回收，但这实属无奈之举，且该热能的回收并非有利于减少水泥窑自身的用煤量，也达不到降低水泥窑内氮氧化物生成量的目的。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种水泥窑分解炉，还公开了一种降低氮氧化物的方法，其目的在于：

1、闭环控制各物料的投入量，控制炉内温度、氧浓度及还原气产生量，降低炉内氮氧化物的含量，稳定控制氮氧化物的排放量；

2、提高热能利用率，减少煤粉用量，降低分解炉内原料型氮氧化物的生成量。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种水泥窑分解炉，包括：

炉体，与回转窑的窑尾烟室连接；炉体从上到下分为燃尽区、燃烧区和还原区；在燃尽区设有尾气出口，在燃烧区设有生料进口；

旋风预热器，与尾气出口和生料下料管连接，用于加热生料；生料加热后进入炉体的生料进口，分解炉尾气由旋风预热器的排气口排出；

换热管，设置在回转窑窑头的冷却室内，在换热管内通入有高压水，利用冷却室内熟料或热风的热能加热高压水；

蒸汽发生器，用于产生高温水蒸汽；在蒸汽发生器内设有雾化喉口，在雾化喉口内通入部分由旋风预热器排气口排出的经加压的分解炉尾气，用于产生高速气流；在雾化喉口的径向设有喷水口，喷水口与换热管内经过加热的高压水连通，用于向雾化喉口喷入水雾，形成高温水蒸汽；

水煤气发生器，分别与三次风、煤粉下料管和蒸汽发生器连接，其中，三次风用于提高水煤气发生器内高温水蒸汽与煤粉的反应温度；

燃烧器，设置在炉体的燃烧区，用于提高燃烧区的温度；燃烧器的燃料为水煤气发生器产生的水煤气，助燃气体为三次风；

喷管，设置在炉体的还原区，喷管的进料端分别与蒸汽发生器和煤粉进料管连接，用于向还原区内喷射高温水蒸汽与煤粉的混合物；

氮氧化物传感器，包括设置在回转窑窑尾烟室的前端氮氧化物传感器，和设置在炉体尾气出口处的后端氮氧化物传感器；

温度传感器，设置在炉体的燃烧区内；

流量控制阀，分别设置在各管路上，用于控制煤粉、三次风、分解炉尾气及高压水的流量；

闭环控制系统，与氮氧化物传感器、温度传感器连接，用于控制各流量控制阀的流量。

进一步地改进技术方案，所述炉体在相邻两区之间设有用于产生喷腾效应的收缩口。

进一步地改进技术方案，所述旋风预热器为多个，多个旋风预热器串联连接。

进一步地改进技术方案，在冷却室内设置有篦冷机，所述换热管设置在篦冷机的工作面上。

进一步地改进技术方案，所述蒸汽发生器内设置有辅助电加热装置，用于在开机时产生高温水蒸汽。

进一步地改进技术方案，所述燃烧器包括同轴设置的内喷管、外喷管和耐高温导流罩，在内喷管的出口端设有缩口，在外喷管的出口端均布有多片螺旋叶片；在外喷管的管壁上排布有多个气孔，耐高温导流罩套装在气孔的外部并向燃烧端延伸，用于聚拢火焰；所述燃烧器为三个，三个燃烧器以等间隔切圆的方式分布于炉体燃烧区的横截面上；在炉体的外围环绕着同轴的内环管和外环管，内环管与三个燃烧器的内喷管连通，外环管与三个燃烧器的外喷管连通，在内环管内通入水煤气，在外环管内通入三次风。

进一步地改进技术方案，在喷管的进料端设有高温水蒸汽入口，高温水蒸汽入口通过管道与蒸汽发生器连接；在喷管内设有收缩的喉口，在喉口的径向设有煤粉入口，煤粉入口与煤粉进料管连接；喷管的出料端为向外扩张的喇叭口，在喇叭口内均布有多片螺旋叶片。

进一步地改进技术方案，所述喷管设置有上下两组，每一组至少由三根喷管组成；每组喷管以等间隔切圆的方式分布于炉体还原区的横截面上，且其中一组中的喷管与切圆顺时针相切，另一组中的喷管与切圆逆时针相切。

一种降低氮氧化物的方法，利用换热管和三次风回收冷却室内熟料的热能，利用尾气出口的分解炉尾气余热加热生料；部分分解炉尾气经加压后进入蒸汽发生器，与换热管内的高压水通过减压雾化形成高温水蒸汽；部分高温水蒸汽与一路煤粉混合后通过喷管喷入炉体的还原区，发生水煤气反应，产生CO及H2：

C(固)+H2O(气)→CO(气)+H2(气)；

CO及H2在高温条件下与回转窑产生的NOx发生还原反应：

CO(气)+NO(气)→CO2(气)+N2(气)；

2H2(气)+2NO(气)→2H2O(气)+N2(气)；

部分煤粉与NOx发生还原反应：

2C(固)+2NO(气)→2CO(气)+N2(气)；

C(固)+2NO(气)→CO2(气)+N2(气)；

在三次风的加热下，另一部分高温水蒸汽与另一路煤粉在水煤气发生器内发生反应，生成水煤气；以水煤气作为燃料、以三次风作为助燃气体，通过燃烧器喷入炉体的燃烧区进行燃烧，释放热量，提高燃烧区内生料的分解温度：

2CO(气)+O2(气)→2CO2(气)；

2H2(气)+O2(气)→2H2O(气)；

控制系统根据前端氮氧化物传感器控制进入喷管的煤粉流量和高温水蒸汽流量，根据后端氮氧化物传感器和温度传感器控制进入燃烧器的水煤气流量和三次风流量。

进一步地改进技术方案，水煤气发生器内生成的水煤气，其中的一部分引入位于回转窑窑头的主燃烧器内，引入的水煤气作为燃料与煤粉、一次风、二次风混合，喷入回转窑内燃烧。

由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明具有如下有益效果：

本发明将水泥窑产生的余热通过热能转换的方式重新返回到分解炉内，一方面大幅降低了煤的用量，从根本上降低了氮氧化物的生成量；另一方面降低了各物料加入量的控制难度，并通过闭环控制的方式对氮氧化物进行还原反应，稳定实现对氮氧化物的达标排放。

本发明创造性的使用水煤气发生器吸收水泥窑的余热来产生水煤气，并通过水煤气炉内燃烧提高炉温，避免原料型氮氧化物的产生。

本发明的节能减排效果明显，具有很大的经济效益和社会意义。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2为燃烧器的结构示意图。

图3为图1的A-A剖面结构示意图。

图4为喷管的结构示意图。

图5为图1的B-B剖面结构示意图。

图中：1、炉体；2、回转窑；3、冷却室；301、过滤网；4、旋风预热器；5、换热管；6、蒸汽发生器；7、水煤气发生器；8、燃烧器；801、内喷管；802、外喷管；803、耐高温导流罩；804、内环管；805、外环管；9、喷管；901、高温水蒸汽入口；902、煤粉入口；903、螺旋叶片；10、前端氮氧化物传感器；11、后端氮氧化物传感器；12、温度传感器；13、篦冷机；14、余热回收及净化装置；15、水煤气储气罐；16、主燃烧器。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

一种水泥窑分解炉，如图1所示，主要包括分解炉的炉体1、旋风预热器4、换热管5、蒸汽发生器6、水煤气发生器7、燃烧器8、喷管9、氮氧化物传感器、流量控制阀和闭环控制系统，下面具体阐述。

炉体1与回转窑2的窑尾烟室连接，在回转窑2的窑头连接有冷却室3，在冷却室3内设置有用于冷却熟料的篦冷机13。进入篦冷机13的熟料具有一千多摄氏度的余温，含有大量的热能。在回转窑2的窑头上设置有主燃烧器16，主燃烧器16用于向回转窑2喷入燃料和助燃气体，在炉内产生高达2200摄氏度的气相温度，对窑内生料进行煅烧，产生熟料。由于回转窑2内高温且富氧，因此产生的氮氧化物最多，且以热力型氮氧化物为主。

炉体1为三级结构，从上到下分为燃尽区、燃烧区和还原区。在燃尽区设有尾气出口，在燃烧区设有生料进口。回转窑2窑尾烟室内的烟气自下向上流动，生料从生料进口向下掉落，两股流体形成对流，使烟气与生料发生混合。在炉体1相邻两区之间设有收缩口，生料及烟气的混合物在流经收缩口时产生喷腾效应，有助于增强混合效果，延长生料的滞留时间，使生料的快速升温。

旋风预热器4的进料端与炉体1的尾气出口及生料下料管连接，用于加热生料。生料与分解炉尾气混合加热后由旋风预热器4的排料口排出，并进入炉体1的生料进口，分解炉尾气由旋风预热器4的排气口排出。经燃烧后，分解炉尾气为缺氧气含量的高温乏气。为了增加换热效率，旋风预热器4可以为多个，多个旋风预热器4串联连接。分解炉尾气的温度在800-900摄氏度之间，经过换热后，分解炉尾气的温度降低到300-360摄氏度之间，这样的设计使分解炉尾气的热能得到了第一次的利用。

换热管5设置在冷却室3内篦冷机13的工作面上，在篦冷机13的工作面上设有成排的冷却气孔，外界空气通过风机进入冷却气孔对熟料进行风冷，被加热的外界空气经过过滤网301过滤后形成三次风。由于空气的比热容较小，三次风虽然温度高，但是吸收的热能较小。换热管5设置在篦冷机13的工作面上，在换热管5内通过高压泵泵入高压水，工作时熟料流经换热管5，利用熟料的热能加热管内高压水。由于水的比热容是空气比热容的三倍，因此高压水能够吸收大量的熟料热能。

蒸汽发生器6用于产生高温水蒸汽。在蒸汽发生器6内设有雾化喉口，在雾化喉口内通入部分由旋风预热器4排气口排出的经加压的分解炉尾气，用于产生高速气流。在雾化喉口的径向设有喷水口，喷水口与换热管5内经过加热的高压水连通，用于向雾化喉口喷入水雾。在喷水口泄压生热及雾化喉口内高速气流的共同作用下，高压水迅速膨胀雾化，形成含有乏气成份的高温水蒸汽，其温度能够达到400-500摄氏度。在这个过程中，分解炉尾气的热能得到了第二次的利用。分解炉尾气的排量很大，蒸汽发生器6只能用到分解炉尾气的一部分，剩余的分解炉尾气需要经余热回收及净化装置14处理后排空。

水煤气发生器7分别与三次风、煤粉下料管和蒸汽发生器6连接，使煤粉与高温水蒸汽生成水煤气。水煤气反应是个吸热反应，也是一个间歇反应过程，当水煤气发生器7内温度降低时，通入高温含氧的三次风与煤粉燃烧能够迅速提高炉内温度，为后续的水煤气反应提供热能。为了增加水煤气的持续供给，水煤气发生器7产生的水煤气进入水煤气储气罐15存储，以利于向下游的燃烧器8提供持续的水煤气。由于三次风自身带入大量的热能，因而减少了煤粉的用量。同样，由于高温水蒸汽自身也带入大量的热能，因此不需要投入额外的煤粉燃烧来产生水蒸汽，因而也进一步地减少了煤粉的用量。此外，由于高温水蒸汽含有来自分解炉尾气的残留氮氧化物，通过水煤气反应过程中，使残留的氮氧化物得到还原。同样的，来自煤粉自身的含氮化合物也在水煤气反应过程中得到分解还原。

燃烧器8设置在炉体1的燃烧区，用于提高燃烧区的温度。燃烧器8的燃料为水煤气发生器7产生的水煤气，助燃气体为三次风。如图2所示，燃烧器8包括同轴设置的内喷管801、外喷管802和耐高温导流罩803，在内喷管801内通入的是水煤气，在外喷管802内通入的是三次风。在内喷管801的出口端设有缩口，缩口能够提高水煤气在出口的流速，延长火焰长度。在外喷管802的出口端均布有多片螺旋叶片，螺旋叶片能够使三次风发生旋转，增大对水煤气的扰动，使燃烧更充分。在外喷管802的管壁上排布有多个气孔，耐高温导流罩803套装在气孔的外部并向燃烧端延伸。从气孔进入耐高温导流罩803的三次风通过耐高温导流罩803导流，一是能够在火焰的外围形成三次风包裹层，稳定燃烧；二是能够防止外部气流对燃气的干扰；三是能够防止高温烟气堵塞或烧毁燃烧器8的喷口。

通过调节水煤气与三次风的供给量能够控制分解炉内的分解温度。当分解炉需要大幅升温时，就必须增大燃烧器8内水煤气与三次风的供给量，这会造成火焰中心因温度过高而产生氮氧化物。为此，本发明采用分散燃烧设计，如图3所示，本发明使用三个燃烧器8，三个燃烧器8以等间隔切圆的方式分布于炉体1燃烧区的横截面上。在炉体1的外围环绕着同轴的内环管804和外环管805，内环管804与三个燃烧器8的内喷管801连通，外环管805与三个燃烧器8的外喷管802连通，内环管804内通过管道与水煤气发生器7连接，外环管805与三次风管连接。这样设计的优点在于，一是能够降低单个燃烧器8的燃烧温度；二是形成高温涡流，高温涡流能够进一步地搅动生料和烟气，延长生料的滞留时间，充分加热熟料，提高生料的分解率；三是使各燃烧器8的燃烧温度一致，同时也简化了对各燃烧器8的水煤气与三次风供给量的控制。

分解炉内生料的分解反应主要是指CaCO3受热分解成CaO和CO2，这个分解反应是个吸热反应，一般分解炉的温度要求稳定在870-890℃之间。因此除了利用烟气中的热能外，还需增加外部的热能维持反应的正常进行。无论是水泥行业还是冶炼行业，我们惯常的思维认知是通过加入煤炭的方式增加炉内温度，因为煤炭的热值大，使用广泛、成本低。对于回转窑2来说，在主燃烧器16内加入煤粉能够提供煅烧所需要的高温，但是对分解炉来说，直接在分解炉内加入煤粉并通入三次风，其弊大于利。原因一方面是煤的类型及来源不能稳定，不同类型的煤、或同类型不同产地的煤，其热值及煤内含氮化合物比例都存在较大的差别，除了煤燃烧产生的热能不易控制外，还给分解炉引入了原料型氮氧化物；另一方面是窑内燃烧温度不易控制，煤或三次风加量过多时，炉内温度高，易产生氮氧化物；煤或三次风加量过少时，温度低、生料的分解率降低。此外，煤和三次风的引入不仅增加了控制难度，还增加了炉内反应的复杂性和滞后性。例如加入煤粉后，该煤粉可能是参与了氧化反应产生热能，也可能参与水煤气反应吸收热能，也可能参与还原反应，还原了氮氧化物。同样，三次风通入的多少也对氮氧化物的生成、炉内温度及反应的可逆性有着很大的影响。总之，分解炉内的反应十分复杂，很难做到精确控制。

行业内通常不会使用水煤气燃烧来产生热能，生活用煤气除外。原因一是水煤气的热值低；二是水煤气的反应需要热能才能够转化，在转化中存在转化能量损失；三是增加了设备。因此远不如直接加入煤省事，长此以往形成了思维惯性。但是对于本发明来说，使用水煤气燃烧来产生热能，其利大于弊。由于水泥工艺的特殊性，需要燃烧大量的煤产生2200摄氏度的高温，其后的热能得不到有效利用，而水煤气发生器7能够吸收其中大部分的热能用于产生水煤气，并通过燃烧将热能回馈给分解炉，其意义在于：

1、不用考虑煤的因素，水煤气的燃烧不会向分解炉内引入原料型氮氧化物；

2、易于炉内燃烧温度的控制，温度高低的只取决于燃烧器8外部水煤气及三次风的加入量；

3、降低了炉内反应的复杂度，水煤气及三次风的加入量不会对炉内反应环境造成影响，使炉内的反应得到简化和可控；

4、降低了控制难度，避免了连锁反应对物料加入量带来的影响；

5、水煤气的燃烧温度低，且是还原气体的燃烧，不易产生氮氧化物。

喷管9设置在炉体1的还原区，喷管9的进料端分别与蒸汽发生器6和煤粉进料管连接，用于向还原区内喷射高温水蒸汽与煤粉的混合物。如图4所示，在喷管9的进料端设有高温水蒸汽入口901，高温水蒸汽入口901通过管道与蒸汽发生器6连接。在喷管9内设有收缩的喉口，在喉口的径向设有煤粉入口902，煤粉入口902与煤粉进料管连接。高温水蒸汽流经喉口时流速增大，并在喉口部产生负压，使位于煤粉入口902内的煤粉喷入喉口内并与高温水蒸汽混合。喷管9的出料端为向外扩张的喇叭口，在喇叭口内均布有多片螺旋叶片903。喇叭口能够使煤粉与高温水蒸汽的混合气流产生扩散喷射，螺旋叶片903能够使混合气流在喷出喇叭口时产生旋转，这两项措施大幅增强了煤粉、高温水蒸汽与还原区内高温烟气的混合效果，提高了水煤气的转化效率。

在可逆反应中，反应物和生成物的浓度对反应的方向具有很大的影响，为了提高局部水煤气的生成浓度，有利于水煤气与氮氧化物发生还原反应，如图5所示，所述喷管9设置有上下两组，每一组由四根喷管9组成。每组喷管9以等间隔切圆的方式分布于炉体1还原区的横截面上。每组喷管9喷出的混合气流形成旋转气流，旋转气流中的煤粉与高温水蒸汽的混合物扩散在该横截面上，形成局部的高浓度，并在高温烟气的加热下生成水煤气。同样，局部高浓度的水煤气有利于与烟气中的氮氧化物发生还原反应。为了增强旋转气流的混合程度，靠上的一组喷管9与切圆顺时针相切，靠下的一组喷管9与切圆逆时针相切。上下旋转气流逆向旋转，对期间的反应物进行混合搅拌，起到增加反应速度、延长反应物滞留时间的作用。

氮氧化物传感器包括设置在回转窑2窑尾烟室的前端氮氧化物传感器10和设置在炉体1尾气出口处的后端氮氧化物传感器11。前端氮氧化物传感器10用来检测来自回转窑2烟气中氮氧化物的含量，一般情况下，回转窑2内的过剩空气系数大于1，烟气中的热力型氮氧化物的含量高。后端氮氧化物传感器11用于检测分解炉尾气的氮氧化物含量，用于最终判断排放尾气中的氮氧化物是否达标。

温度传感器12设置在炉体1的燃烧区内，用来检测炉内温度是否达到生料的分解温度。

流量控制阀分别设置在各管路上，用于控制煤粉、三次风、分解炉尾气及高压水的流量。

闭环控制系统与前端氮氧化物传感器10、后端氮氧化物传感器11、温度传感器12连接，用于控制各流量控制阀的流量。

为了进一步地说明本发明的工作原理和设计思路，本发明还公开了一种应用于上述水泥窑分解炉的降低氮氧化物的方法。

首先，本发明利用换热管5和三次风回收冷却室3内熟料的热能，利用尾气出口的分解炉尾气余热加热生料。这些热能都是通过燃煤产生的，虽然可以通过余热锅炉发电，但是这只是无奈之举，而且相比热力发电，水泥窑产生了更多的氮氧化物和硫化物。因此，减少煤的用量，从根本上降低氮氧化物的产生量才是解决问题的关键。降低煤的用量，就必须将热能尽可能地加以回收，并将热能返回水泥窑系统内加以利用。

如图1所示，部分分解炉尾气经加压后进入蒸汽发生器6，与换热管5内的高压水通过减压雾化形成高温水蒸汽，使分解炉尾气与高压水内的热能得到应用。

部分高温水蒸汽与一路煤粉混合后通过喷管9喷入炉体1的还原区，发生水煤气反应，产生CO及H2：

C(固)+H2O(气)→CO(气)+H2(气)

CO及H2在高温条件下遇到回转窑2产生的NOx，发生还原反应，还原NOx：

CO(气)+NO(气)→CO2(气)+N2(气)

2H2(气)+2NO(气)→2H2O(气)+N2(气)

部分煤粉与NOx发生还原反应，还原NOx：

2C(固)+2NO(气)→2CO(气)+N2(气)

C(固)+2NO(气)→CO2(气)+N2(气)

在以上反应中，煤粉与高温水蒸汽的加入量是由前端氮氧化物传感器10决定的，前端氮氧化物传感器10检测窑尾烟室中氮氧化物的含量，经控制系统计算并通过流量控制阀执行煤粉与高温水蒸汽的投入量，其目的在于，在还原区还原掉烟气中绝大部分的氮氧化物，并产生弱还原性烟气氛围。由于水煤气的反应是吸热反应，在一定程度上降低了窑尾烟室的温度，有利于减少窑尾烟室结皮现象的发生。此外，由于高温水蒸汽含有来自分解炉尾气的残留氮氧化物，通过还原反应，使残留的氮氧化物得到还原。这种物料的反馈输入，一方面降低了排放尾气中残留的氮氧化物，另一方面使分解炉尾气中的热能得到了充分利用。

在三次风的加热下，另一部分高温水蒸汽与另一路煤粉在水煤气发生器7内发生反应，生成水煤气。水煤气的生成需要吸收大量的热能，而高温水蒸汽和三次风自身带有大量的热能，因此能够大幅降低煤粉的投入量。虽然水煤气的热值相比于煤的热值要低，但是理论上投入1公斤的煤能产生2.3公斤的水煤气，总的热能是不变的。

以水煤气作为燃料、以三次风作为助燃气体，通过燃烧器8喷入炉体1的燃烧区进行燃烧，释放热量，提高燃烧区内生料的分解温度。

2CO(气)+O2(气)→2CO2(气)

2H2(气)+O2(气)→2H2O(气)

在此反应中，控制系统不但需要根据温度传感器12控制进入燃烧器8的水煤气流量和三次风流量，使炉内温度维持在870-890℃之间，还需要根据后端氮氧化物传感器11和一氧化碳传感器对水煤气的流量和三次风的流量进行微调。当氮氧化物超出排放标准时，适当增加水煤气的流量；当一氧化碳排放超出排放标准时，适当减少水煤气的流量或增加三次风的流量。一般的，三次风的加入量要略大一些，使燃烧区内的过剩空气系数α在1.05-1.15之间，这样能够使烟气中的还原性气体得到燃烧，降低烟气中CO的含量。由于是微调，分解炉内的总体环境仍是低氧低温环境，不利于有新的氮氧化物产生。尤其需要指出的是，由于没有煤的加入，也就没有原料型氮氧化物的产生。这些对于控制系统来说，大幅降低了控制难度。在还原区控制系统已通过还原气将绝大部分的氮氧化物还原掉，由于燃烧区不再有新氮氧化物生成，控制系统只需在保证炉温的前提下，微调燃烧器8的水煤气或三次风的流量就可实现对残留氮氧化物的还原。

为了更大量的减低煤的用量，将水煤气发生器7内生成的水煤气的一部分引入位于回转窑2窑头的主燃烧器16内，引入的水煤气作为燃料与煤粉、一次风、二次风混合，并喷入回转窑2内燃烧。为了保证煅烧温度，水煤气与煤粉的比例为3：17。水煤气作为辅助燃料参与回转窑2的燃烧放热，一是能够降低回转窑2内原料型氮氧化物的产生，二是降低了煤粉的用量，三是部分参与了还原反应，降低了热力型氮氧化物的生成量。

本发明中引入水作为热能的回收介质和反应物，因此水的消耗量较大，而煤的消耗量则大幅降低，在相同的情况下，本发明煤的消耗量相比现有技术降低了30-35%，氮氧化物的生成量和尾气排放量大幅降低，尤其是氮氧化物尾气排放量低于国家排放标准的50%。

在水泥窑开炉时，由于分解炉尾气的温度不够高，冷却室3内没有熟料流入，高压水也得不到加热，致使蒸汽发生器6无法产生水蒸汽，而此时回转窑2内已有氮氧化物产生。为解决这个问题，在蒸汽发生器6内设置有辅助电加热装置，用于在开机时产生高温水蒸汽，并与煤粉一起在炉体1的还原区产生水煤气，还原氮氧化物，以防止开炉初期氮氧化物的超标排放。

通过上述阐述可以得出，本发明将水泥窑产生的余热，通过热能转换的方式重新返回到分解炉内，一方面大幅降低了煤的用量，从根本上降低了氮氧化物的生成量；另一方面降低了各物料加入量的控制难度，并通过引入了闭环控制稳定实现对氮氧化物的达标排放。

未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种水泥窑分解炉，其特征是：包括：

炉体，与回转窑的窑尾烟室连接；炉体从上到下分为燃尽区、燃烧区和还原区；在燃尽区设有尾气出口，在燃烧区设有生料进口；

旋风预热器，与尾气出口和生料下料管连接，用于加热生料；生料加热后进入炉体的生料进口，分解炉尾气由旋风预热器的排气口排出；

换热管，设置在回转窑窑头的冷却室内，在换热管内通入有高压水，利用冷却室内熟料或热风的热能加热高压水；

蒸汽发生器，用于产生高温水蒸汽；在蒸汽发生器内设有雾化喉口，在雾化喉口内通入部分由旋风预热器排气口排出的经加压的分解炉尾气，用于产生高速气流；在雾化喉口的径向设有喷水口，喷水口与换热管内经过加热的高压水连通，用于向雾化喉口喷入水雾，形成高温水蒸汽；

水煤气发生器，分别与三次风、煤粉下料管和蒸汽发生器连接，其中，三次风用于提高水煤气发生器内高温水蒸汽与煤粉的反应温度；

燃烧器，设置在炉体的燃烧区，用于提高燃烧区的温度；燃烧器的燃料为水煤气发生器产生的水煤气，助燃气体为三次风；

喷管，设置在炉体的还原区，喷管的进料端分别与蒸汽发生器和煤粉进料管连接，用于向还原区内喷射高温水蒸汽与煤粉的混合物；

氮氧化物传感器，包括设置在回转窑窑尾烟室的前端氮氧化物传感器，和设置在炉体尾气出口处的后端氮氧化物传感器；

温度传感器，设置在炉体的燃烧区内；

流量控制阀，分别设置在各管路上，用于控制煤粉、三次风、分解炉尾气及高压水的流量；

闭环控制系统，与氮氧化物传感器、温度传感器连接，用于控制各流量控制阀的流量。

2.如权利要求1所述的一种水泥窑分解炉，其特征是：所述炉体在相邻两区之间设有用于产生喷腾效应的收缩口。

3.如权利要求1所述的一种水泥窑分解炉，其特征是：所述旋风预热器为多个，多个旋风预热器串联连接。

4.如权利要求1所述的一种水泥窑分解炉，其特征是：在冷却室内设置有篦冷机，所述换热管设置在篦冷机的工作面上。

5.如权利要求1所述的一种水泥窑分解炉，其特征是：所述蒸汽发生器内设置有辅助电加热装置，用于在开机时产生高温水蒸汽。

6.如权利要求1所述的一种水泥窑分解炉，其特征是：所述燃烧器包括同轴设置的内喷管、外喷管和耐高温导流罩，在内喷管的出口端设有缩口，在外喷管的出口端均布有多片螺旋叶片；在外喷管的管壁上排布有多个气孔，耐高温导流罩套装在气孔的外部并向燃烧端延伸，用于聚拢火焰；所述燃烧器为三个，三个燃烧器以等间隔切圆的方式分布于炉体燃烧区的横截面上；在炉体的外围环绕着同轴的内环管和外环管，内环管与三个燃烧器的内喷管连通，外环管与三个燃烧器的外喷管连通，在内环管内通入水煤气，在外环管内通入三次风。

7.如权利要求1所述的一种水泥窑分解炉，其特征是：在喷管的进料端设有高温水蒸汽入口，高温水蒸汽入口通过管道与蒸汽发生器连接；在喷管内设有收缩的喉口，在喉口的径向设有煤粉入口，煤粉入口与煤粉进料管连接；喷管的出料端为向外扩张的喇叭口，在喇叭口内均布有多片螺旋叶片。

8.如权利要求1所述的一种水泥窑分解炉，其特征是：所述喷管设置有上下两组，每一组至少由三根喷管组成；每组喷管以等间隔切圆的方式分布于炉体还原区的横截面上，且其中一组中的喷管与切圆顺时针相切，另一组中的喷管与切圆逆时针相切。

9.应用于如权利要求1-8任一权利要求所述水泥窑分解炉的一种降低氮氧化物的方法，其特征是：利用换热管和三次风回收冷却室内熟料的热能，利用尾气出口的分解炉尾气余热加热生料；部分分解炉尾气经加压后进入蒸汽发生器，与换热管内的高压水通过减压雾化形成高温水蒸汽；部分高温水蒸汽与一路煤粉混合后通过喷管喷入炉体的还原区，发生水煤气反应，产生CO及H2：

C(固)+H2O(气)→CO(气)+H2(气)；

CO及H2在高温条件下与回转窑产生的NOx发生还原反应：

CO(气)+NO(气)→CO2(气)+N2(气)；

2H2(气)+2NO(气)→2H2O(气)+N2(气)；

部分煤粉与NOx发生还原反应：

2C(固)+2NO(气)→2CO(气)+N2(气)；

C(固)+2NO(气)→CO2(气)+N2(气)；

在三次风的加热下，另一部分高温水蒸汽与另一路煤粉在水煤气发生器内发生反应，生成水煤气；以水煤气作为燃料、以三次风作为助燃气体，通过燃烧器喷入炉体的燃烧区进行燃烧，释放热量，提高燃烧区内生料的分解温度：

2CO(气)+O2(气)→2CO2(气)；

2H2(气)+O2(气)→2H2O(气)；

控制系统根据前端氮氧化物传感器控制进入喷管的煤粉流量和高温水蒸汽流量，根据后端氮氧化物传感器和温度传感器控制进入燃烧器的水煤气流量和三次风流量。

10.如权利要求9所述的一种降低氮氧化物的方法，其特征是：水煤气发生器内生成的水煤气，其中的一部分引入位于回转窑窑头的主燃烧器内，引入的水煤气作为燃料与煤粉、一次风、二次风混合，喷入回转窑内燃烧。

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