CN116718003B - 低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑及其控制方法，属于窑炉技术领域；低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑包括窑体、氨燃烧组件、天然气燃烧组件和氨裂解组件，窑体具有窑腔，窑腔内具有烟气流动的第一方向，氨燃烧组件和天然气燃烧组件设在窑腔的侧壁，氨裂解组件与窑腔的周壁面连接，氨燃烧组件、氨裂解组件和天然气燃烧组件沿第一方向依次设置。氨燃料辊道窑的控制方法包括如下的步骤：控制氨燃烧组件在贫氧状态下工作；控制天然气燃烧组件在富氧状态下工作；控制窑腔内的烟气沿第一方向流动。本发明具有结构简单、经济性好、燃料利用率高的优点，无需增加巨大的设备投入，便可进行脱硝及逃逸氨处理，实现低氮氧化物、低逃逸氨排放。

Description

低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑及其控制方法

技术领域

本发明属于窑炉技术领域，特别涉及一种低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑及其控制方法。

背景技术

当今，“氢”能源被认为是全球能源结构发展以及未来实现碳中和目标的重要方向，氨作为氢的一种高效零碳载体，可以在常温和8atm（atm指标准大气压）的情况下液化，氨的制备和储运产业链非常成熟，并且，氨也具备燃料属性，在燃烧过程中不产生二氧化碳排放，是最具潜力替代传统化石能源的零碳燃料，在工业炉窑、燃气轮机、动力锅炉、内燃机等工业热设备具有良好的应用前景。

但是，当氨作为窑炉燃料使用时，因为氨的燃烧稳定性差，且含有燃料氮，使得在氨的燃烧过程中会产生大量的氮氧化物。在现有技术中，解决氮氧化物排放的问题主要通过分级燃烧、烟气脱硝等方式。其中，分级燃烧技术对一次风及二次风的流量控制精度有较高的要求，会增加现有窑炉的燃烧控制设备的投入成本；而在烟气脱硝技术中，可以采取选择性非催化还原（SNCR）或选择性催化还原（SCR）的烟气后处理方法，这需要增加脱硝设备投入，则会导致成本增加。若不对所排放的氮氧化物进行处理，将造成环境污染。

因此，设计开发出一种低氮氧化物排放、同时具有稳定燃烧和经济性好的氨燃料窑炉，有着十分重要的现实意义和使用价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑及其控制方法，无需增加巨大的设备投入，便可进行脱硝及逃逸氨处理，实现低氮氧化物、低逃逸氨排放，具有结构简单、经济性好、燃料利用率高的优点。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

第一方面，本发明公开了一种低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，包括窑体、氨燃烧组件、天然气燃烧组件和氨裂解组件，所述窑体具有窑腔，所述窑腔内具有烟气流动的第一方向，所述氨燃烧组件和所述天然气燃烧组件设在所述窑腔的侧壁，所述氨裂解组件与所述窑腔的周壁面连接，所述氨燃烧组件、所述氨裂解组件和所述天然气燃烧组件沿所述第一方向依次设置。

本发明提供的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑至少具有如下的有益效果：在窑体的窑腔内设置有氨燃烧组件、天然气燃烧组件和氨裂解组件，其中，氨燃烧组件和天然气燃烧组件工作，提供足够的热量，促使窑腔内的温度能够达到工作温度的要求；在窑体处于运行状态时，窑腔内的烟气会沿第一方向流动，而氨燃烧组件、氨裂解组件和天然气燃烧组件沿第一方向依次布置，因此，当氨燃烧组件以贫氧方式工作时，可大幅减少氮氧化物的生成量，而未燃尽的氨会随烟气流经氨裂解组件，并裂解为氢气和氮气；当天然气燃烧组件以过氧方式工作时，不会产生大量的氮氧化物，而且，裂解产生的氢气会与多余的氧完全反应，避免残余氨排放及氢气排放。

采用如此设置，能同时实现氮氧化物和逃逸氨的低排放，无需增加脱硝和逃逸氨吸收处理的设备，能够减少烟气脱硝的成本，而且，天然气和氨分段燃烧，控制简便，无需设置二次风设备或者混气设备。

作为上述技术方案的进一步改进，所述氨裂解组件为多孔介质/蜂窝材料催化剂隔墙。当窑腔内的烟气通过催化剂隔墙时，烟气中的残余氨会被裂解成氢气和氮气，避免出现逃逸氨情况。催化剂隔墙根据窑炉温度曲线及催化剂特性选择设置在最佳的温度窗口内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述氨燃烧组件包括多个沿所述第一方向排布的氨燃烧器；所述天然气燃烧组件包括多个沿所述第一方向排布的天然气燃烧器。如此设置，能够令窑腔在第一方向上的温度情况满足瓷砖烧成的工作要求。

作为上述技术方案的进一步改进，所述窑腔的相对两侧壁设有交错的所述氨燃烧器，所述窑腔的相对两侧壁设有交错的所述天然气燃烧器。如此设置，能缩小窑腔的横截面温差，提高温度分布均匀性，提升瓷砖的烧成质量。

作为上述技术方案的进一步改进，所述窑腔内设有输送辊组件，所述输送辊组件的上方和下方都设置有氨燃烧器和天然气燃烧器，位于所述输送辊组件上方和下方的所述氨燃烧器呈错开设置，位于所述输送辊组件上方和下方的所述天然气燃烧器呈错开设置。如此设置，可以提高炉内温度分布均匀性。

作为上述技术方案的进一步改进，所述氨燃烧器的空气系数为α，其中，0.9≤α＜1.0。如此设置，令氨燃料进行贫氧燃烧，而且，过程中所产生的氮氧化物量少，有助于实现低氮氧化物排放。

作为上述技术方案的进一步改进，所述天然气燃烧器的空气系数为β，其中，1.0＜β≤1.4。如此设置，促使天然气燃料能进行过氧充分燃烧，降低燃烧温度，有效减少氮氧化物的生成量，以达到低氮氧化物排放的目的。

作为上述技术方案的进一步改进，所述窑体包括氧化气氛段，所述氧化气氛段设有所述天然气燃烧器。在氧化气氛段处设置天然气燃烧器，使得天然气燃料能够在过氧环境进行充分燃烧，可减少热力型氮氧化物生成。

第二方面，本发明提供一种氨燃料辊道窑的控制方法，应用于上述技术方案的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其包括如下的步骤：

控制氨燃烧组件在贫氧状态下工作；

控制天然气燃烧组件在富氧状态下工作；

控制窑腔内的烟气沿第一方向流动。

本发明提供的氨燃料辊道窑的控制方法至少具有如下的有益效果：在利用辊道窑对瓷砖进行高温烧制时，控制氨燃烧组件和天然气燃烧组件工作，令氨燃料在贫氧条件下进行燃烧，形成还原性气氛，避免大量氮氧化物产生，此时，会产生未燃尽的残余氨；同时，令天然气在富氧条件下进行燃烧，形成氧化性气氛，避免大量热力型的氮氧化物生成；残余的氨随着烟气沿第一方向流动，在通过氨裂解组件时会发生裂解，并产生氢气和氮气；然后，氢气和氮气随烟气继续流动，流向天然气燃烧组件，天然气燃烧组件处的过量的氧会促使氢气完全燃烧，从而能避免残余氨排放及氢气排放。

作为上述技术方案的进一步改进，所述氨燃烧组件的空气系数为0.95，所述天然气燃烧组件的空气系数为1.3。如此设置，在氨燃料和天然气燃料燃烧过程中，所生成的氮氧化物量最少，以实现低氮氧化物排放的目标。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1是本发明实施例所提供的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑的结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的氨燃料辊道窑的控制方法的流程示意图。

附图中标记如下：100、瓷砖；200、窑体；210、窑腔；220、输送辊；310、天然气燃烧器；320、氨燃烧器；330、催化剂隔墙。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个及以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二、第三只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图2，下面对本发明的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑及其控制方法举出若干实施例。可以理解的是，由于辊道窑的长度大，因此，附图1对辊道窑采用折断线。

如图1所示，本发明实施例一提供了一种低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，该辊道窑可以应用于瓷砖100的烧成工作中。该辊道窑具有结构简单、经济性好、燃料利用率高等的优点，能够实现低氮氧化物、低逃逸氨排放的目的，无需额外增加烟气处理设备，便可进行脱硝及逃逸氨吸收处理，能大幅降低设备投入成本。

该辊道窑的结构包括有窑体200、氨裂解组件、天然气燃烧组件以及氨燃烧组件。

其中，窑体200内部中空形成有窑腔210，窑体200的相对两端分别为进料口和出料口，进料口和出料口均连通于窑腔210。在本实施例中，进料口位于窑体200的后端，出料口位于窑体200的前端，此时，窑体200的后端为窑头，窑体200的前端为窑尾。

窑腔210内设有输送辊组件，输送辊组件包括有输送辊220和旋转驱动器，输送辊220的数量为多根，所有的输送辊220沿着自进料口至出料口的方向均匀间隔布置，主要用于输送瓷砖100，旋转驱动器可以为电机和链条传动结构，促使所有的输送辊220能够旋转，将瓷砖100送进或送出窑腔210。

在输送辊组件的工作过程中，瓷砖100能够从进料口进入至窑腔210内，完成烧成工序，然后经出料口离开窑腔210。

窑腔210内具有第一方向，第一方向与烟气流动的方向一致。可以理解的是，在窑腔210内，烟气的运动方向与瓷砖100的运动方向是相反的。在本实施例中，第一方向为由前往后的方向，也即烟气从前往后流动，然后被排出窑腔210。

氨燃烧组件、氨裂解组件和天然气燃烧组件沿第一方向依次设置。在本实施例中，氨燃烧组件位于氨裂解组件的前侧，天然气燃烧组件位于氨裂解组件的后侧。

氨燃烧组件安装在窑腔210的侧壁上。具体的，氨燃烧组件的结构包括有多个氨燃烧器320，所有的氨燃烧器320沿着第一方向排布。在本实施例中，所有的氨燃烧器320按照均匀的间隔布置，那么，氨燃烧器320在工作时能够提供足够的热量，提高窑腔210内的温度，能够满足瓷砖100的烧成温度要求。

天然气燃烧组件安装在窑腔210的侧壁上。具体的，天然气燃烧组件的结构包括有多个天然气燃烧器310，所有的天然气燃烧器310沿着第一方向排布。在本实施例中，所有的天然气燃烧器310按照均匀的间隔布置，那么，天然气燃烧器310在工作时能够提供足够的热能，提升窑腔210内的温度，能够满足瓷砖100的烧成温度要求。

当启用氨燃烧组件和天然气燃烧组件时，氨燃料和天然气燃料会进行燃烧，并产生大量的热能，提升窑腔210内的温度，促使窑腔210内的温度满足瓷砖100的烧制温度。

氨裂解组件设置在窑腔210内，并与窑腔210的周壁面固定连接。具体的，氨裂解组件为多孔介质/蜂窝材料催化剂隔墙330。催化剂隔墙330可以与窑体200可拆连接。

催化剂隔墙330根据窑炉温度曲线及催化剂特性选择设置在最佳的温度窗口内。

可以理解的是，多孔介质催化剂隔墙330的数量不限于一个。当设置有两个及以上时，所有的多孔介质催化剂隔墙330可以采用间距排布的方式设置。多孔介质催化剂隔墙330可以为由多个氨分解催化剂构成的墙体或板状制件，氨分解催化剂由高温焙烧的MgO（氧化镁）载体、附载活性组分Ni（镍）及其他助长剂构成，具有很高的催化活性、高机械强度、优良的耐热和抗结焦性能，能够将氨分解成氮气和氢气。

在辊道窑处于运行状态时，氨燃烧组件和天然气燃烧组件工作，并产生烟气，烟气在窑腔210内会沿第一方向流动，此时，氨燃烧组件在贫氧的条件下工作，能大幅减少氮氧化物的生成量，而未燃尽的氨气会随烟气流向氨裂解组件，在氨裂解组件的作用下，氨气会被裂解为氢气和氮气，然后随烟气流向天然气燃烧组件；同时，天然气燃烧组件在过氧的条件下工作，天然气燃料充分燃烧，不会产生大量的氮氧化物，而且，天然气燃烧组件处的多余的氧气会与裂解产生的氢气进行完全反应，令氢气完全燃烧，促使所排放的烟气所含氨气量、氢气量和氮氧化物量非常少，能够大幅减少残余氨、氢气和氮氧化物的排放量，确保大气环境干净无污染。

可以理解的是，本实施例提供的辊道窑采用上述的结构设置，能同时实现氮氧化物和逃逸氨的低排放，无需额外增加脱硝和逃逸氨吸收处理的相关设备，可以减少烟气脱硝的成本，而且，天然气和氨气分段燃烧，控制简便。另外，采用上述的设计，无需对辊道窑的结构作出大的改变。

窑腔210的相对两个侧壁都安装有氨燃烧器320。位于窑腔210相对两侧的氨燃烧器320呈交错设置，能够对窑腔210进行均匀加热，缩小窑腔210的横截面温差，有利于提高瓷砖100的产品质量。

窑腔210的相对两个侧壁都安装有天然气燃烧器310。位于窑腔210相对两侧的天然气燃烧器310呈交错设置，实现窑腔210的均匀升温，令窑腔210的横截面温差缩小，促使瓷砖100的质量得到保证。

在输送辊组件的上方设置有一组氨燃烧器320，同样的，在输送辊组件的下方都设置有一组氨燃烧器320，每组氨燃烧器320包括多个氨燃烧器320，而且，所有的氨燃烧器320沿着第一方向按照均匀的间距布置。位于输送辊组件上方和下方的氨燃烧器320呈错开设置。具体的，对于输送辊220上方的氨燃烧器320而言，在相邻两个氨燃烧器320之间设有一个位于输送辊220下方的氨燃烧器320。

在输送辊组件的上方设置有一组天然气燃烧器310，在输送辊组件的下方同样设置有一组天然气燃烧器310，每组天然气燃烧器310包括多个天然气燃烧器310，并且，所有的天然气燃烧器310沿着第一方向等间距排布。位于输送辊组件上方和下方的天然气燃烧器310呈错开设置。具体的，对于输送辊220上方的天然气燃烧器310而言，在相邻两个天然气燃烧器310之间设有一个位于输送辊220下方的天然气燃烧器310。采用上述设置方式，可以提高窑炉温度分布均匀性。

在一些实施例中，氨燃烧器320的空气系数设置为α，其中，空气系数α满足如下的条件：0.9≤α＜1.0。在氨燃烧器320工作时，氨燃料进行贫氧燃烧，促使燃烧过程中所产生的氮氧化物量少，有助于实现低氮氧化物排放。

在本实施例中，氨燃烧器320的空气系数α为0.95，此时，氮氧化物生成量最少，最大限度降低氮氧化物的排放量。

在一些实施例中，天然气燃烧器310的空气系数设置为β，其中，空气系数β满足如下的条件：1.0＜β≤1.4。在天然气燃烧器310工作时，天然气进行过氧充分燃烧，此时，氮氧化物生成量少，有利于达到低氮氧化物排放的目的。

在本实施例中，天然气燃烧器310的空气系数β为1.3，此时，氮氧化物生成量最少，能实现氮氧化物的排放量最低的目标。

窑体200包括有氧化气氛段和其他加热段。可以理解的是，氧化气氛段的数量不限于一个，氧化气氛段和其他加热段沿着窑体200的长度方向布置。其中，氧化气氛段采用天然气燃烧器310来供热，其他加热段则采用氨燃烧器320来供热。而且，氧化气氛段不仅仅是位于催化剂隔墙330的后侧，在氨燃烧器320的前侧也会设置有氧化气氛段。在本实施例中，如图1所示，多孔介质催化剂隔墙330和氨燃烧器320位于两个氧化气氛段之间。

由于天然气燃烧器310是在过氧状态工作，氨燃烧器320在缺氧状态工作，因此，天然气燃料与过量的氧气进行充分反应，能有效减少热力型氮氧化物的生成量，而氨燃料进行贫氧燃烧，形成还原性气氛，可避免生成氮氧化物，同时，如图1所示，位于氨燃烧器320前侧的氧化气氛段处的烟气会流向氨燃烧器320，在还原性气氛处，天然气燃料燃烧所产生的少量氮氧化物会被还原成氮气，从而能够减少氮氧化物排放量。

并且，在氨燃烧器320中，绝大部分氨气以贫氧状态燃烧，只有少量的未燃尽的氨气会流向多孔介质催化剂隔墙330，并被裂解为氮气和氢气；随后，氮气和氢气随烟气流经天然气燃烧器310处，此时，天然气燃烧器310中多余的氧气会与氢气反应，如此便能够减少氮氧化物生成量，而且，有效避免出现氨逃逸情况。

可以理解的是，辊道窑沿其长度方向可分为预热段、高温烧成段和冷却段，其中，高温烧成段包括有氧化气氛段和还原气氛段，氧化气氛段设置有天然气燃烧器310，还原气氛段设置有氨燃烧器320，高温烧成段内的烟气会流向预热段，对瓷砖100进行预热处理。预热段无需设置氨燃烧器320。从高温烧成段出来的瓷砖100进入至冷却段，冷却段采用冷却风对瓷砖100进行冷却降温，降温后的瓷砖100会被移出窑腔210。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种氨燃料辊道窑的控制方法，应用于上述实施例的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其中，氨燃料辊道窑的控制方法包括如下的步骤：

步骤S1：控制氨燃烧组件在贫氧状态下工作。

步骤S2：控制天然气燃烧组件在富氧状态下工作。

步骤S3：控制窑腔210内的烟气沿第一方向流动。

可以理解的是，步骤S1、步骤S2和步骤S3能够同时进行，或者不分先后次序进行。通过抽气设备如风机，来驱动窑腔210内的烟气沿着第一方向流动，由于氨燃烧组件在贫氧条件工作，因此，在燃烧过程中不仅可以避免氮氧化物的生成，还会产生残余的氨气，氨气在氨裂解组件的作用下发生裂解，并产生氮气和氢气；同时，由于天然气燃烧组件在富氧条件工作，因此，在燃烧过程中不仅减少氮氧化物的生成量，还会产生多余的氧气，让氧气会与氢气完全反应，令氢气完全燃尽，有效提升氢气的利用率，从而达到氮氧化物和逃逸氨的低排放的目的。

在氨燃烧组件工作时，氨燃烧器320的空气系数设定为0.95，在天然气燃烧组件工作时，天然气燃烧器310的空气系数为1.3。通过上述设置，能够最大限度限制氮氧化物的生成。

可以理解的是，通过采用氨气和天然气在窑腔210内组合、分段燃烧，并通过控制氨燃烧器320和天然气燃烧器310的助燃空气系数能够实现窑腔210内的气氛（氧化气氛、还原气氛）以及氮氧化物的生成量的控制，同时，由于窑腔210的大部分加热段采用氨的缺氧燃烧方式，既保证辊道窑的降碳比例，又能够进行烟气中的氮氧化物还原，避免生成大量的氮氧化物；并且，以氨裂解组件以及天然气燃烧组件收尾，利用氨裂解组件对残余氨进行裂解，利用天然气燃烧组件的过氧充分燃烧，促使裂解的氢气完全燃烧，有效避免氨逃逸。

本发明实施例提供的辊道窑不仅采用氨燃烧器320和天然气燃烧器310的混合燃烧方式，而且，在不改变窑体200原有结构的基础上增加氨裂解组件，能够同时实现氮氧化物、逃逸氨及二氧化碳的低排放，且排放效果明显，辊道窑的制造和运行成本低。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，包括窑体、氨燃烧组件、天然气燃烧组件和氨裂解组件，所述窑体具有窑腔，所述窑腔内具有烟气流动的第一方向，所述氨燃烧组件和所述天然气燃烧组件设在所述窑腔的侧壁，所述氨裂解组件与所述窑腔的周壁面连接，所述氨燃烧组件、所述氨裂解组件和所述天然气燃烧组件沿所述第一方向依次设置，所述氨燃烧组件在贫氧状态下工作，所述天然气燃烧组件在富氧状态下工作。

2.根据权利要求1所述的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，所述氨裂解组件为多孔介质催化剂隔墙。

3.根据权利要求1所述的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，所述氨燃烧组件包括多个沿所述第一方向排布的氨燃烧器；所述天然气燃烧组件包括多个沿所述第一方向排布的天然气燃烧器。

4.根据权利要求3所述的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，所述窑腔的相对两侧壁设有交错的所述氨燃烧器，所述窑腔的相对两侧壁设有交错的所述天然气燃烧器。

5.根据权利要求4所述的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，所述窑腔内设有输送辊组件，所述输送辊组件的上方和下方都设置有氨燃烧器和天然气燃烧器，位于所述输送辊组件上方和下方的所述氨燃烧器呈错开设置，位于所述输送辊组件上方和下方的所述天然气燃烧器呈错开设置。

6.根据权利要求3所述的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，所述氨燃烧器的空气系数为α，其中，0.9≤α＜1.0。

7.根据权利要求3所述的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，所述天然气燃烧器的空气系数为β，其中，1.0＜β≤1.4。

8.根据权利要求3所述的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，所述窑体包括氧化气氛段，所述氧化气氛段设有所述天然气燃烧器。

9.一种氨燃料辊道窑的控制方法，应用于如权利要求1至8任一所述的低氮氧化物排放的氨燃料辊道窑，其特征在于，包括如下的步骤：

控制氨燃烧组件在贫氧状态下工作；

控制天然气燃烧组件在富氧状态下工作；

控制窑腔内的烟气沿第一方向流动。

10.根据权利要求9所述的氨燃料辊道窑的控制方法，其特征在于，所述氨燃烧组件的空气系数为0.95，所述天然气燃烧组件的空气系数为1.3。