中國建筑材料科學研究總院與武漢理工大學、北京水泥廠有限責任公司共同承擔的“十二五”國家科技支撐課題——“水泥窯爐富氧和分級燃燒減排NOx技術與示范應用”，歷時3年，在保持和提高熟料煅燒效率、熟料質量的前提下，研究攻破了部分NOx在窯體內(nèi)的自身消化，為減少水泥窯爐NOx排放提供多種技術途徑，并進行多條生產(chǎn)線技術應用示范，達到顯著的節(jié)能增產(chǎn)效果，被業(yè)內(nèi)譽為節(jié)能降耗的“新式武器”。
NOx減排迫在眉睫
NOx是典型的大氣污染物，對環(huán)境具有嚴重的危害性。中國建材總院等承擔的這項國家科技支撐課題，基于國家節(jié)能減排及減少NOx排放的重大需求，結合水泥工業(yè)的生產(chǎn)技術水平和工藝技術特性，開展了富氧燃燒和分級燃燒及檢測控制技術的研究，這對控制和減少NOx污染物排放具有著重要意義。
“十二五”期間，國家已將NOx列入了污染物減排指標考核體系。水泥窯爐是NOx的高排放源，每噸水泥熟料的生產(chǎn)會產(chǎn)生約2.4千克NOx，一條年產(chǎn)60萬噸水泥熟料生產(chǎn)線每年則會產(chǎn)生約1440噸NOx。據(jù)統(tǒng)計，水泥行業(yè)NOx排放量占工業(yè)總排放量的8%~10%，是繼火電廠、機動車后的第三大排放源。在此背景下，GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》中規(guī)定，水泥企業(yè)NOx排放限值為400mg/m3，其中重點地區(qū)排放限值為320mg/m3，以此嚴格限制水泥行業(yè)NOx排放量。
水泥行業(yè)NOx減排技術包括非催化還原技術(SNCR)、催化還原技術(SCR)、分級燃燒和低氮燃燒器技術等。其中SNCR脫銷效率達50%以上，但需要消耗大量的尿素、氨水等還原劑;SCR脫銷效率可達80%以上，而目前國內(nèi)仍處于研發(fā)與示范階段，后兩種技術可在不消耗其他物質的基礎上，實現(xiàn)一定量NOx的削減，但脫硝效率往往不夠理想。
基于此，依據(jù)水泥窯爐的工藝技術特點，在保證甚至提高水泥熟料產(chǎn)量、質量和窯爐能效水平的同時，通過富氧燃燒技術和分級燃燒技術，控制NOx的形成或促進NOx的分解，大幅度削減回轉窯內(nèi)NOx的排放，對我國水泥工業(yè)NOx減排具有推動意義。
課題研發(fā)碩果累累
課題研究人員通過理論分析、計算機模擬、實驗研究和生產(chǎn)線示范等手段，掌握了水泥窯爐富氧燃燒和分級燃燒增產(chǎn)降耗原理、實施方法和降低NOx的規(guī)律，自主設計加工了富氧低NOx燃燒器，形成了具有自主知識產(chǎn)權的“分解爐分級燃燒參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)”軟件包，并開發(fā)了窯爐燃燒工況氣氛檢測裝置。
成果一：富氧低NOx燃燒技術模擬及設計
水泥窯爐富氧燃燒技術通過引入計算流體力學(CFD)來對傳統(tǒng)實驗測量中具有較大難度的水泥窯爐內(nèi)部速度矢量、壓力等測量，以及實驗條件要求較高的水泥窯爐熱態(tài)測量。通過數(shù)值模擬，以及對旋流器不同配置、各風道不同壓力和不同速度的情況下，回轉窯內(nèi)的速度和壓力分布，尋找具有較高一次風速，較合適回流區(qū)和速度梯度分布的燃燒器配置及邊界條件;對不同富氧濃度下，水泥回轉窯內(nèi)的溫度分布、燃燒狀況、氣體組分濃度、NOx濃度分布等情況進行模擬，找出火焰溫度高、高溫范圍小、回流區(qū)較大、NOx生成濃度低的邊界條件，對后續(xù)的工廠示范應用提供指導。
成果二：富氧低NOx燃燒器技術集成及研發(fā)。
在理論計算、實驗研究和模擬分析的基礎上，對章丘華明水泥有限公司和北京水泥廠有限責任公司兩條示范線進行富氧低NOx燃燒器技術與制氧技術配套及集成進行了研究。
章丘華明水泥有限公司1000t/d回轉窯采用膜法制氧較為經(jīng)濟合算，在其生產(chǎn)線上完成2000Nm3/h富氧制氧系統(tǒng)的設計、分離膜的選型及設備的加工，運行情況良好，富氧濃度可達30%，系統(tǒng)電耗為0.075kWh/m3。
北京水泥廠有限責任公司2000t/d生產(chǎn)線富氧加入方式為液氧通過氣化器氣化之后通入一次風中，氧氣濃度在30%～40%范圍內(nèi)可控制。
此外，課題組自行設計出富氧低NOx燃燒器并對其進行了加工，燃燒器頭部與普通燃燒器相比，該燃燒器具有一次風量少，軸流風風速高，旋流角度15°～45°靈活可調等優(yōu)點。本燃燒器設計已申請國家發(fā)明專利1項，實用新型專利2項。
成果三：富氧低NOx燃燒器實際運行及示范應用。
富氧低NOx燃燒器在章丘華明水泥有限公司的示范應用中，通過對其原有三通道燃燒器更換為自行設計的富氧低NOx燃燒器，并將富氧空氣通入一次風中，使一次風風量減少，同時軸流風速度提高;通過對高溫風機轉速、篦冷機風機風門開度、頭排風機轉速等窯系統(tǒng)參數(shù)的調整，富氧條件下窯頭火焰溫度較正常情況提高約120℃;二次風溫和三次風溫有較為顯著的提高，熟料煅燒質量明顯變好;同時，在節(jié)能增效并保證熟料質量的基礎上，通過對窯內(nèi)氣氛的合理控制，使富氧條件下回轉窯NOx產(chǎn)生量有了明顯下降。山東省建材工業(yè)節(jié)能評價檢測中心標定結果顯示，熟料產(chǎn)量提高15%(空白36.25t/h，富氧條件下41.68t/h)，熟料燒成熱耗降低9.5%(空白3746kJ/kgcl，富氧條件下3389 kJ/kgcl)，窯尾煙室NOx降低29%(空白1063ppm，富氧條件下755ppm)。
富氧低NOx燃燒技術在北京水泥廠有限責任公司示范應用中，通過將富氧空氣通入一次風中，一次風氧氣濃度達36.8%;通過調整高溫風機轉速、三次風閘板開度、篦冷機篦速等窯系統(tǒng)參數(shù)，富氧條件下窯頭火焰溫度提高約110℃;同時，大大改善了之前因協(xié)同處置廢棄物造成的熟料SO3含量高、燒失量大、有時出現(xiàn)黃心料等現(xiàn)象，據(jù)中控操作員現(xiàn)場觀察描述，“熟料黃心料現(xiàn)象明顯變少，直徑5cm的料都可燒透，熟料質量明顯提升。”在此基礎上，通過對窯內(nèi)整體氣氛的合理控制，在增產(chǎn)、節(jié)能、質量提升的基礎上，實現(xiàn)了部分NOx在回轉窯內(nèi)削減的目標。由國家建筑材料工業(yè)建筑材料節(jié)能評價檢測中心標定，熟料產(chǎn)量提高14%(空白79.2t/h，富氧90.6t/h)，熟料燒成熱耗降低11.6%(空白4301kJ/kgcl，富氧3804kJ/kgcl)，窯尾煙室NOx降低31%(空白1538ppm，富氧1061ppm)。
成果四：分級燃燒技術軟件包開發(fā)及示范應用示范。
針對不同分解爐爐型建立全尺寸模型，進行分級燃燒改造數(shù)值模擬，得到優(yōu)化改造方案，形成了具有自主知識產(chǎn)權的“分解爐分級燃燒參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)”軟件包，目前已在華新水泥(秭歸)有限公司5000t/d生產(chǎn)線上應用，分級燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運行率>95%，NOx排放濃度低于400mg/m3。
成果五：窯爐燃燒工況氣氛快速檢測和控制技術。
開發(fā)了窯爐燃燒工況氣氛檢測裝置，在北京水泥廠有限責任公司2000t/d生產(chǎn)線得到應用，運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了燃燒工況氣氛的快速、準確分析，建立了窯爐燃燒工況與微量組分之間分析模型，并通過對窯系統(tǒng)優(yōu)化操作，使窯系統(tǒng)運行平穩(wěn)，節(jié)約了熟料燒成能耗。
未來應用前景廣闊
基于國家節(jié)能減排及減少NOx排放的重大需求，課題開展了富氧燃燒技術節(jié)能降耗與降低NOx排放的研究與應用，與二代新型干法水泥技術裝備研發(fā)標準中“高能效低氮預熱預分解及先進燒成技術研發(fā)攻關技術”及“攻克窯體氮氧化物消化和提升窯尾脫硝的技術攻關”緊密結合。課題在保持和提高熟料煅燒效率和熟料質量的前提下，研究攻破了部分NOx在窯體內(nèi)的自身消化。實踐證明，富氧燃燒技術對改善水泥回轉窯因協(xié)同處置廢棄物可能產(chǎn)生的熟料產(chǎn)量無法提高、質量受到影響、單位熟料熱耗增加等現(xiàn)象具有很好的應用效果。
隨著國家對節(jié)能環(huán)保要求的日趨提高，富氧燃燒技術在水泥窯的應用前景將非常廣闊。當然，此項技術不可避免地會改變其原有工況，因而在操作及設備方面必須做相應調整，以滿足水泥回轉窯生產(chǎn)要求。由于不同水泥企業(yè)生產(chǎn)狀況不同，在應用富氧燃燒技術時，需先對自身狀況進行全面評估，制定出合理的應用方案。
【水泥人網(wǎng)】中國建筑材料科學研究總院與武漢理工大學、北京水泥廠有限責任公司共同承擔的“十二五”國家科技支撐課題——“水泥窯爐富氧和分級燃燒減排NOx技術與示范應用”，歷時3年，在保持和提高熟料煅燒效率、熟料質量的前提下，研究攻破了部分NOx在窯體內(nèi)的自身消化，為減少水泥窯爐NOx排放提供多種技術途徑，并進行多條生產(chǎn)線技術應用示范，達到顯著的節(jié)能增產(chǎn)效果，被業(yè)內(nèi)譽為節(jié)能降耗的“新式武器”。
NOx減排迫在眉睫
NOx是典型的大氣污染物，對環(huán)境具有嚴重的危害性。中國建材總院等承擔的這項國家科技支撐課題，基于國家節(jié)能減排及減少NOx排放的重大需求，結合水泥工業(yè)的生產(chǎn)技術水平和工藝技術特性，開展了富氧燃燒和分級燃燒及檢測控制技術的研究，這對控制和減少NOx污染物排放具有著重要意義。
“十二五”期間，國家已將NOx列入了污染物減排指標考核體系。水泥窯爐是NOx的高排放源，每噸水泥熟料的生產(chǎn)會產(chǎn)生約2.4千克NOx，一條年產(chǎn)60萬噸水泥熟料生產(chǎn)線每年則會產(chǎn)生約1440噸NOx。據(jù)統(tǒng)計，水泥行業(yè)NOx排放量占工業(yè)總排放量的8%~10%，是繼火電廠、機動車后的第三大排放源。在此背景下，GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》中規(guī)定，水泥企業(yè)NOx排放限值為400mg/m3，其中重點地區(qū)排放限值為320mg/m3，以此嚴格限制水泥行業(yè)NOx排放量。
水泥行業(yè)NOx減排技術包括非催化還原技術(SNCR)、催化還原技術(SCR)、分級燃燒和低氮燃燒器技術等。其中SNCR脫銷效率達50%以上，但需要消耗大量的尿素、氨水等還原劑;SCR脫銷效率可達80%以上，而目前國內(nèi)仍處于研發(fā)與示范階段，后兩種技術可在不消耗其他物質的基礎上，實現(xiàn)一定量NOx的削減，但脫硝效率往往不夠理想。
基于此，依據(jù)水泥窯爐的工藝技術特點，在保證甚至提高水泥熟料產(chǎn)量、質量和窯爐能效水平的同時，通過富氧燃燒技術和分級燃燒技術，控制NOx的形成或促進NOx的分解，大幅度削減回轉窯內(nèi)NOx的排放，對我國水泥工業(yè)NOx減排具有推動意義。
課題研發(fā)碩果累累
課題研究人員通過理論分析、計算機模擬、實驗研究和生產(chǎn)線示范等手段，掌握了水泥窯爐富氧燃燒和分級燃燒增產(chǎn)降耗原理、實施方法和降低NOx的規(guī)律，自主設計加工了富氧低NOx燃燒器，形成了具有自主知識產(chǎn)權的“分解爐分級燃燒參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)”軟件包，并開發(fā)了窯爐燃燒工況氣氛檢測裝置。
成果一：富氧低NOx燃燒技術模擬及設計
水泥窯爐富氧燃燒技術通過引入計算流體力學(CFD)來對傳統(tǒng)實驗測量中具有較大難度的水泥窯爐內(nèi)部速度矢量、壓力等測量，以及實驗條件要求較高的水泥窯爐熱態(tài)測量。通過數(shù)值模擬，以及對旋流器不同配置、各風道不同壓力和不同速度的情況下，回轉窯內(nèi)的速度和壓力分布，尋找具有較高一次風速，較合適回流區(qū)和速度梯度分布的燃燒器配置及邊界條件;對不同富氧濃度下，水泥回轉窯內(nèi)的溫度分布、燃燒狀況、氣體組分濃度、NOx濃度分布等情況進行模擬，找出火焰溫度高、高溫范圍小、回流區(qū)較大、NOx生成濃度低的邊界條件，對后續(xù)的工廠示范應用提供指導。
成果二：富氧低NOx燃燒器技術集成及研發(fā)。
在理論計算、實驗研究和模擬分析的基礎上，對章丘華明水泥有限公司和北京水泥廠有限責任公司兩條示范線進行富氧低NOx燃燒器技術與制氧技術配套及集成進行了研究。
章丘華明水泥有限公司1000t/d回轉窯采用膜法制氧較為經(jīng)濟合算，在其生產(chǎn)線上完成2000Nm3/h富氧制氧系統(tǒng)的設計、分離膜的選型及設備的加工，運行情況良好，富氧濃度可達30%，系統(tǒng)電耗為0.075kWh/m3。
北京水泥廠有限責任公司2000t/d生產(chǎn)線富氧加入方式為液氧通過氣化器氣化之后通入一次風中，氧氣濃度在30%～40%范圍內(nèi)可控制。
此外，課題組自行設計出富氧低NOx燃燒器并對其進行了加工，燃燒器頭部與普通燃燒器相比，該燃燒器具有一次風量少，軸流風風速高，旋流角度15°～45°靈活可調等優(yōu)點。本燃燒器設計已申請國家發(fā)明專利1項，實用新型專利2項。
成果三：富氧低NOx燃燒器實際運行及示范應用。
富氧低NOx燃燒器在章丘華明水泥有限公司的示范應用中，通過對其原有三通道燃燒器更換為自行設計的富氧低NOx燃燒器，并將富氧空氣通入一次風中，使一次風風量減少，同時軸流風速度提高;通過對高溫風機轉速、篦冷機風機風門開度、頭排風機轉速等窯系統(tǒng)參數(shù)的調整，富氧條件下窯頭火焰溫度較正常情況提高約120℃;二次風溫和三次風溫有較為顯著的提高，熟料煅燒質量明顯變好;同時，在節(jié)能增效并保證熟料質量的基礎上，通過對窯內(nèi)氣氛的合理控制，使富氧條件下回轉窯NOx產(chǎn)生量有了明顯下降。山東省建材工業(yè)節(jié)能評價檢測中心標定結果顯示，熟料產(chǎn)量提高15%(空白36.25t/h，富氧條件下41.68t/h)，熟料燒成熱耗降低9.5%(空白3746kJ/kgcl，富氧條件下3389 kJ/kgcl)，窯尾煙室NOx降低29%(空白1063ppm，富氧條件下755ppm)。
富氧低NOx燃燒技術在北京水泥廠有限責任公司示范應用中，通過將富氧空氣通入一次風中，一次風氧氣濃度達36.8%;通過調整高溫風機轉速、三次風閘板開度、篦冷機篦速等窯系統(tǒng)參數(shù)，富氧條件下窯頭火焰溫度提高約110℃;同時，大大改善了之前因協(xié)同處置廢棄物造成的熟料SO3含量高、燒失量大、有時出現(xiàn)黃心料等現(xiàn)象，據(jù)中控操作員現(xiàn)場觀察描述，“熟料黃心料現(xiàn)象明顯變少，直徑5cm的料都可燒透，熟料質量明顯提升。”在此基礎上，通過對窯內(nèi)整體氣氛的合理控制，在增產(chǎn)、節(jié)能、質量提升的基礎上，實現(xiàn)了部分NOx在回轉窯內(nèi)削減的目標。由國家建筑材料工業(yè)建筑材料節(jié)能評價檢測中心標定，熟料產(chǎn)量提高14%(空白79.2t/h，富氧90.6t/h)，熟料燒成熱耗降低11.6%(空白4301kJ/kgcl，富氧3804kJ/kgcl)，窯尾煙室NOx降低31%(空白1538ppm，富氧1061ppm)。
成果四：分級燃燒技術軟件包開發(fā)及示范應用示范。
針對不同分解爐爐型建立全尺寸模型，進行分級燃燒改造數(shù)值模擬，得到優(yōu)化改造方案，形成了具有自主知識產(chǎn)權的“分解爐分級燃燒參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)”軟件包，目前已在華新水泥(秭歸)有限公司5000t/d生產(chǎn)線上應用，分級燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運行率>95%，NOx排放濃度低于400mg/m3。
成果五：窯爐燃燒工況氣氛快速檢測和控制技術。
開發(fā)了窯爐燃燒工況氣氛檢測裝置，在北京水泥廠有限責任公司2000t/d生產(chǎn)線得到應用，運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了燃燒工況氣氛的快速、準確分析，建立了窯爐燃燒工況與微量組分之間分析模型，并通過對窯系統(tǒng)優(yōu)化操作，使窯系統(tǒng)運行平穩(wěn)，節(jié)約了熟料燒成能耗。
未來應用前景廣闊
基于國家節(jié)能減排及減少NOx排放的重大需求，課題開展了富氧燃燒技術節(jié)能降耗與降低NOx排放的研究與應用，與二代新型干法水泥技術裝備研發(fā)標準中“高能效低氮預熱預分解及先進燒成技術研發(fā)攻關技術”及“攻克窯體氮氧化物消化和提升窯尾脫硝的技術攻關”緊密結合。課題在保持和提高熟料煅燒效率和熟料質量的前提下，研究攻破了部分NOx在窯體內(nèi)的自身消化。實踐證明，富氧燃燒技術對改善水泥回轉窯因協(xié)同處置廢棄物可能產(chǎn)生的熟料產(chǎn)量無法提高、質量受到影響、單位熟料熱耗增加等現(xiàn)象具有很好的應用效果。
隨著國家對節(jié)能環(huán)保要求的日趨提高，富氧燃燒技術在水泥窯的應用前景將非常廣闊。當然，此項技術不可避免地會改變其原有工況，因而在操作及設備方面必須做相應調整，以滿足水泥回轉窯生產(chǎn)要求。由于不同水泥企業(yè)生產(chǎn)狀況不同，在應用富氧燃燒技術時，需先對自身狀況進行全面評估，制定出合理的應用方案。