富氧燃烧技术:水泥行业节能降耗的“新式武器”

  中国建筑材料科学研究总院与武汉理工大学、北京水泥厂有限责任公司共同承担的“十二五”国家科技支撑课题——“水泥窑炉富氧和分级燃烧减排NOx技术与示范应用”,历时3年,在保持和提高熟料煅烧效率、熟料质量的前提下,研究攻破了部分NOx在窑体内的自身消化,为减少水泥窑炉NOx排放提供多种技术途径,并进行多条生产线技术应用示范,达到显著的节能增产效果,被业内誉为节能降耗的“新式武器”。

  NOx是典型的大气污染物,对环境具有严重的危害性。中国建材总院等承担的这项国家科技支撑课题,基于国家节能减排及减少NOx排放的重大需求,结合水泥工业的生产技术水平和工艺技术特性,开展了富氧燃烧和分级燃烧及检测控制技术的研究,这对控制和减少NOx污染物排放具有着重要意义。

  “十二五”期间,国家已将NOx列入了污染物减排指标考核体系。水泥窑炉是NOx的高排放源,每吨水泥熟料的生产会产生约2.4千克NOx,一条年产60万吨水泥熟料生产线吨NOx。据统计,水泥行业NOx排放量占工业总排放量的8%~10%,是继火电厂、机动车后的第三大排放源。在此背景下,GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》中规定,水泥企业NOx排放限值为400mg/m3,其中重点地区排放限值为320mg/m3,以此严格限制水泥行业NOx排放量。

  水泥行业NOx减排技术包括非催化还原技术(SNCR)、催化还原技术(SCR)、分级燃烧和低氮燃烧器技术等。其中SNCR脱销效率达50%以上,但需要消耗大量的尿素、氨水等还原剂;SCR脱销效率可达80%以上,而目前国内仍处于研发与示范阶段,后两种技术可在不消耗其他物质的基础上,实现一定量NOx的削减,但脱硝效率往往不够理想。

  基于此,依据水泥窑炉的工艺技术特点,在保证甚至提高水泥熟料产量、质量和窑炉能效水平的同时,通过富氧燃烧技术和分级燃烧技术,控制NOx的形成或促进NOx的分解,大幅度削减回转窑内NOx的排放,对我国水泥工业NOx减排具有推动意义。

  课题研究人员通过理论分析、计算机模拟、实验研究和生产线示范等手段,掌握了水泥窑炉富氧燃烧和分级燃烧增产降耗原理、实施方法和降低NOx的规律,自主设计加工了富氧低NOx燃烧器,形成了具有自主知识产权的“分解炉分级燃烧参数优化专家系统”软件包,并开发了窑炉燃烧工况气氛检测装置。

  水泥窑炉富氧燃烧技术通过引入计算流体力学(CFD)来对传统实验测量中具有较大难度的水泥窑炉内部速度矢量、压力等测量,以及实验条件要求较高的水泥窑炉热态测量。通过数值模拟,以及对旋流器不同配置、各风道不同压力和不同速度的情况下,回转窑内的速度和压力分布,寻找具有较高一次风速,较合适回流区和速度梯度分布的燃烧器配置及边界条件;对不同富氧浓度下,水泥回转窑内的温度分布、燃烧状况、气体组分浓度、NOx浓度分布等情况进行模拟,找出火焰温度高、高温范围小、回流区较大、NOx生成浓度低的边界条件,对后续的工厂示范应用提供指导。

  在理论计算、实验研究和模拟分析的基础上,对章丘华明水泥有限公司和北京水泥厂有限责任公司两条示范线进行富氧低NOx燃烧器技术与制氧技术配套及集成进行了研究。

  章丘华明水泥有限公司1000t/d回转窑采用膜法制氧较为经济合算,在其生产线/h富氧制氧系统的设计、分离膜的选型及设备的加工,运行情况良好,富氧浓度可达30%,系统电耗为0.075kWh/m3。

  北京水泥厂有限责任公司2000t/d生产线富氧加入方式为液氧通过气化器气化之后通入一次风中,氧气浓度在30%~40%范围内可控制。

  此外,课题组自行设计出富氧低NOx燃烧器并对其进行了加工,燃烧器头部与普通燃烧器相比,该燃烧器具有一次风量少,轴流风风速高,旋流角度15°~45°灵活可调等优点。本燃烧器设计已申请国家发明专利1项,实用新型专利2项。

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