CN112594697B - 一种带外置扩容降氮组合式分解炉及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带外置扩容降氮组合式分解炉及其使用方法，包括分解炉和扩容装置，所述扩容装置包括回转窑连接管、扩容器、燃尽炉，所述燃尽炉连接在分解炉的下方，所述回转窑连接管连通回转窑和扩容器，所述扩容器与燃尽炉连通，该扩容器上设有第一进风口，该第一进风口下方设有喷煤点，所述回转窑连接管和燃尽炉上也分别设有喷煤点，其中燃尽炉上设有第二进风口，所述分解炉中设有下料口，该下料口连通回转窑连接管将分解炉中的颗粒物向下沉淀后通至回转窑中。本发明的分解炉可提高熟料生产台产，且降低氮氧化物的排放浓度，减少甚至不使用氨水。

Description

一种带外置扩容降氮组合式分解炉及其使用方法

技术领域

本发明涉水泥熟料生产技术领域，具体属于一种带外置扩容降氮组合式分解炉及其使用方法。

背景技术

分解炉是预分解系统的核心，其功能的发挥直接影响回转窑系统的产质量。分解炉内主要完成燃料燃烧、碳酸盐分解、气固两相的输送、混合(分散)、换热、传质等一系列过程，并且伴有物料浓度、颗粒粒径的变化以及气体流量、成分和温度场的变化。分解炉的结构形式多种多样，到目前为止，国际上各种类型的分解炉已有30多种，大体上可分为喷腾型、流态化型、管道型和旋流型等四类，并通过各种组合变化产生各种型式的分解炉。就其总体性能而言，均能满足生料分解和煤粉燃烧的要求，但各有其特点及优缺点。天津院主导研发的双喷腾的TDF炉，对其进行了大量的研究工作，根据燃料的燃烧特性与预分解系统开发设计的相关性研究，在国内众多现场均有较好的应用。

现有的分解炉结构如图3和图4所示，回转窑直接连通到分解炉底部，窑尾烟气直接进入分解炉，并通入空气，加入生料、煤粉进行反应，物料之间在炉内流场中产生相对运动，从而达到高度分散、均匀混合和分布、迅速换热、延长物料在炉内的滞留时间，达到提高燃烧效率、换热效率和入窑物料碳酸盐分解率的目的。分解炉坐落窑尾烟室之上，炉与烟室之间缩口在尺寸优化后可不设调节阀板。炉中部设有缩口，保证炉内气固流产生第二次“喷腾效应”。炉的两个三通道燃烧器分别设于三次风入口上部或侧部，以便入炉燃料斜喷入三次风气流之中迅速起火燃烧。顶部设有气固流反弹室，使气固流产生碰顶反弹效应，延长物料在炉滞留时间。分解炉早期设计中考虑承担预分解窑系统中的燃烧、换热和碳酸盐分解任务。对分解炉的结构要求为改善炉内气、固流动方式，合理组织炉内流场。早期分解炉主要的设计目的是为了分解生料中的碳酸盐，而分解热主要由燃料(煤粉)在炉燃烧后提供热量。但是一方面随着生产提产的需求，原设计分解炉参数已无法满足长期稳定运行的要求；另一方面煤粉燃烧过程中会产生大量的NOx，随着环保排放要求的日益严格，原分解炉不可避免的需采用相应的脱硝方案进行优化以适应新的排放要求。

国内外水泥行业大多采用低氮燃烧、选择性非催化还原(SNCR)脱硝及选择性催化还原(SCR)脱硝相结合的技术。低氮燃烧主要包括窑头采用低NOx燃烧器，NOx减排水平可达10-30％；采用SNCR技术，可实现系统的NOx减排>50％，但存在氨逃逸，造成大气二次污染，氨水浪费大，运行成本高等问题。使用SCR技术，系统NOx减排水平达到>80％，具有脱硝效率高，氨利用率高，运行费用低，技术成熟可靠等优点，但一次性投资较高，限制了其在水泥行业的广泛应用。当前主流的上述三种脱硝方式，均有其优缺点，或脱硝效率偏低，无法满足环保要求，或投资晕车成分较高，无法实现经济的可持续运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带外置扩容降氮组合式分解炉，该分解炉解决的关键问题有：一是燃料与空气协同组合式分级燃烧技术突破现有单一空气分级燃烧或单一煤粉分级燃烧的瓶颈，最大幅度的提高脱硝效率。根据水泥窑系统的特点，利用风、煤、料的协同设计，形成梯度分布燃烧环境，脱除回转窑内产生的氮氧化物、抑制分解炉内生产的氮氧化物，发挥分解炉分级燃烧的脱硝功能，降低烟气的氮氧化物浓度；二是提高分级燃烧状态下窑系统工况的稳定性。本发明系统地分析分级燃烧状态下对窑系统工况可能产生不利影响的因素并进行针对性研究和设计，通过研究燃料燃烧特性、以解决分解炉锥部容易结皮的问题。通过研究分级燃烧条件下分解炉温度、压力的变化规律以及窑炉用风的匹配，提高窑炉系统运行工况的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种带外置扩容降氮组合式分解炉，包括分解炉和扩容装置，所述扩容装置包括回转窑连接管、扩容器、燃尽炉，所述燃尽炉连接在分解炉的下方，所述回转窑连接管连通回转窑和扩容器，所述扩容器与燃尽炉连通，该扩容器上设有第一进风口，该第一进风口下方设有喷煤点，所述回转窑连接管和燃尽炉上也分别设有喷煤点，其中燃尽炉上设有第二进风口，所述分解炉中设有下料口，该下料口连通回转窑连接管将分解炉中的颗粒物向下沉淀后通至回转窑中。

进一步地，所述回转窑连接管为倾斜向上设置，该回转窑连接管上的喷煤点设置在回转窑连接管的中下部。

进一步地，所述扩容器包括中空炉体、连通管体，所述中空炉体竖直连通在回转窑连接管的上方，所述连通管体连通中空炉体的顶部和燃尽炉的侧部，所述第一进风口位于中空炉体的中下部。

进一步地，所述中空炉体的横截面积为回转窑连接管横截面积的2-5倍，该中空炉体的高度与分解炉的高度一致，所述连通管体的横截面积为回转窑连接管横截面积的1.5-3倍。

进一步地，所述第二进风口连通燃尽炉的中部，该燃尽炉上的喷煤点设置在第二进风口的下方。

进一步地，所述第一进风口和第二进风口通过进风管交汇连通至同一个进风管中。

一种增加停留时间的物料燃烧方法，包括以下步骤：

(1)在回转窑的出口处依次连接回转窑连接管、中空炉体、连通管体、燃尽炉，回转窑连接管内形成贫氧区，中空炉体和连通管体内形成缺氧区，燃尽炉中为燃尽区，然后将燃尽炉连通分解炉的下方，并且将其他管道阀门关闭；

(2)回转窑中的烟气开始进入后，对贫氧区、缺氧区和燃尽区中调节温度，在缺氧区和燃尽区中通入空气并控制含氧量，使物料在中空炉体、连通管体中一边分解一边通入燃尽区，进行充分燃烧分解；

(3)每间隔一段时间打开下料口的阀门，将分解炉和C5中沉积的颗粒物通入回转窑连接管中循环燃烧。

进一步地，所述控制含氧量是通过调整高温风机转速及三次风闸阀来优化窑内和三次风的合理匹配，使得塔外新增分解炉内空气过剩系数控制在＜1.0。

进一步地，所述调节温度是通过煤粉加入量的调节控制分解炉内温度合理分布，使中空炉体中的温度大于900℃，分解炉内的温度大于850℃，煤粉在分解炉内下部充分地无焰燃烧。

综上所述，由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明采用利用燃料分级与助燃空气分级燃烧协同技术，在尽量减少对原工艺设备流程影响的前提下，增加分解炉炉容，延长煤粉反应及生料停留时间，在分解炉内形成贫氧区-缺氧区-燃尽区的梯度分布燃烧环境，形成缺氧燃烧环境产生的CO、HCN等还原剂与窑尾烟气中的NOx发生反应，将NOx还原成N2等无污染的惰性气体。同时煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型NOx产生，从而实现水泥生产过程中的NOx减排，同时因分解炉炉容的扩大，对熟料提产提供了良好的基础；

(2)本发明中燃料与空气协同组合式分级燃烧技术突破现有分级燃烧的瓶颈，最大幅度提高脱硝效率。根据水泥窑系统的特点，研发低氮燃烧型分解炉，利用风、煤、料的协同设计，形成梯度分布燃烧环境，脱除回转窑内产生的氮氧化物、抑制分解炉内生产的氮氧化物，发挥分解炉分级燃烧的脱硝功能，降低烟气的氮氧化物浓度；

(3)本发明主要通过在窑尾烟室废气经过转向后通过原预热器塔外，然后折回原分解炉锥部实现对接，过程中通过分煤，分料，分风三个方面开展方案实施，最大程度实现烟室至分解炉锥部高温还原区域，降低系统本底NOx生成；

(4)本发明的分解炉可最大限度的实现分解炉炉容的扩大，延长物料停留时间，还原区域的扩大，实现系统煤粉燃烧及生料分解的最优化组合。该技术采用燃料分级燃烧与空气分级燃烧协同组合，形成极度梯度分布燃烧环境，通过燃烧中间产物还原窑内已经产生的NOx，同时抑制分解炉内NOx的生成。另一方面，由于分解炉容的空间的扩大，生料在炉内停留时间可以延长3秒以上，入窑物料的表观分解率可达到95％以上，使得分解炉应对各种生产抗波动能力更强；

(5)本发明满足大幅提产降耗的要求，分解炉炉容较原设计扩大1.2倍以上，使产量增加了将近1.2倍，且通过这个方法自脱硝效率可达100％，可以完全脱除回转窑产生的NOx，实现NOx自脱硝+煤粉梯度燃烧+生料高效分解三大目标；

(6)本发明通过在原本的分解炉塔外增加炉体方式增加炉内燃烧空间，同时通过风煤炭优化调整，最大化的实现分解炉燃烧时间及空间的延长，为生产线提产奠定基地，同时实现更高的生料入窑分解率，形成梯度分布燃烧环境，在确保燃料燃尽的前提下，尽量降低生产线氨水的用量。采用多级分风、分煤、分料技术，实现分解炉各区域温度的可控性，通过控制分解炉锥部温度防止结皮，同时提高主燃烧区温度，解决高温结皮和低温时煤粉燃烬度偏低低的矛盾。

(7)本发明可实现分解炉炉容大小可控，满足生料分解及煤粉燃烧要求，不会因分级燃烧影响系统煤耗；同时因扩容实现熟料台产提升，可实现节煤降本目标；

(8)燃料与空气协同组合式分级燃烧技术，形成梯度分布燃烧环境，在确保燃料燃尽的前提下，可实现零氨水使用脱硝达到NOx排放浓度小于100mg/Nm 3甚至更低的要求。

(9)采用多级分料技术，实现分解炉各区域温度的可控性，通过控制分解炉锥部温度防止结皮，同时提高主燃烧区温度，解决高温结皮和低温时煤粉燃烬度低的矛盾。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的原理示意图；

图3是现有分解炉的结构示意图；

图4是现有分解炉的原理示意图。

附图中，分解炉1、回转窑连接管21、扩容器22、燃尽炉23、第一进风口24、喷煤点25、第二进风口26、中空炉体27、连通管体28、进风管29。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

实施例1

如图1和图2所示，一种带外置扩容降氮组合式分解炉，包括分解炉1和扩容装置，所述扩容装置包括回转窑连接管21、扩容器22、燃尽炉23，所述燃尽炉23连接在分解炉1的下方，所述回转窑连接管21连通回转窑和扩容器22，所述扩容器22与燃尽炉23连通，该扩容器22上设有第一进风口24，该第一进风口24下方设有喷煤点，所述回转窑连接管21和燃尽炉23上也分别设有喷煤点25，其中燃尽炉25上设有第二进风口26，所述分解炉1中设有下料口，该下料口连通回转窑连接管将分解炉中的颗粒物向下沉淀后通至回转窑中，下料口包含3个，一个与燃尽炉23连通，再由燃尽炉23的底部直接连通回转窑连接管21，一个由分解炉上方的将未燃烧尽的颗粒物下沉落入连通回转窑连接管21，还有一个下料口连通至C5，再将C5连通回转窑连接管21中。该组合式分解炉采用利用燃料分级与助燃空气分级燃烧协同技术，在尽量减少对原工艺设备流程影响的前提下，增加分解炉炉容，延长煤粉反应及生料停留时间，在分解炉内形成贫氧区-缺氧区-燃尽区的梯度分布燃烧环境，形成缺氧燃烧环境产生的CO、HCN等还原剂与窑尾烟气中的NOx发生反应，将NOx还原成N2等无污染的惰性气体。同时煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型NOx产生，从而实现水泥生产过程中的NOx减排，同时因分解炉炉容的扩大，对熟料提产提供了良好的基础。

回转窑连接管21为倾斜向上设置，该回转窑连接管21上的喷煤点25设置在回转窑连接管21的中下部。

扩容器22包括中空炉体27、连通管体28，所述中空炉体27竖直连通在回转窑连接管21的上方，所述连通管体28连通中空炉体27的顶部和燃尽炉23的侧部，所述第一进风口24位于中空炉体27的中下部；中空炉体27的横截面积为回转窑连接管横截面积的2-5倍，该中空炉体27的高度与分解炉的高度一致，所述连通管体28的横截面积为回转窑连接管横截面积的1.5-3倍。

第二进风口26连通燃尽炉的中部，该燃尽炉上的喷煤点设置在第二进风口26的下方；第一进风口24和第二进风口26通过进风管交汇连通至同一个进风管29中。

使用上述组合式分解炉增加停留时间的物料燃烧方法，包括以下步骤：

(1)在回转窑的出口处依次连接回转窑连接管、中空炉体、连通管体、燃尽炉，回转窑连接管内形成贫氧区，中空炉体和连通管体内形成缺氧区，燃尽炉中为燃尽区，然后将燃尽炉连通分解炉的下方，并且将其他管道阀门关闭；

(2)回转窑中的烟气开始进入后，对贫氧区、缺氧区和燃尽区中调节温度，在缺氧区和燃尽区中通入空气并控制含氧量，使物料在中空炉体、连通管体中一边分解一边通入燃尽区，进行充分燃烧分解；

(3)每间隔一段时间打开下料口的阀门，将分解炉中沉积的颗粒物和C5通入回转窑连接管中循环燃烧。

控制含氧量是通过调整高温风机转速及三次风闸阀来优化窑内和三次风的合理匹配，使得塔外新增分解炉内空气过剩系数控制在＜1.0。

调节温度是通过煤粉加入量的调节控制分解炉内温度合理分布，使中空炉体中的温度大于900℃，分解炉内的温度大于850℃，煤粉在分解炉内下部充分地无焰燃烧。

如图2和图4所示，为现有分解炉和优化后分解炉的工作原理示意图：先通过在窑尾烟室废气经过转向后通过原预热器塔外，然后折回原分解炉锥部实现对接，过程中通过分煤，分料，分风三个方面开展方案实施，最大程度实现烟室至分解炉锥部高温还原区域，降低系统本底NOx生成，最大限度的实现分解炉炉容的扩大，延长物料停留时间，还原区域的扩大，实现系统煤粉燃烧及生料分解的最优化组合。该技术采用燃料分级燃烧与空气分级燃烧协同组合，形成极度梯度分布燃烧环境，通过燃烧中间产物还原窑内已经产生的NOx，同时抑制分解炉内NOx的生成。另一方面，由于分解炉容的空间的扩大，生料在炉内停留时间可以延长3秒以上，入窑物料的表观分解率可达到95％以上，使得分解炉应对各种生产抗波动能力更强。

通过分解炉扩容方式实现物料停留时间的延长，另外空气分级燃烧和燃料分级燃烧的合理匹配，形成梯度分布燃烧环境。在分解炉内形成一个大的，有较强的CO浓度的还原区域使NOx还原为N 2。通过使燃料和三次风在分解炉分步加入，在分解炉锥体和下柱体形成强还原区域，最大限度地延长还原区域的停留时间和增加还原区域的CO浓度都可以显著的降低烟气中的NOx的浓度水平。

分解炉扩容主要实现物料滞留之间延长，分级燃烧脱硝是生成还原性中间燃烧产物与NOx反应，其关键技术是对整个流场核心参数控制，主要包括：

物料停留时间控制：早期设计的分解炉停留时间小于4S，在常规的喂料情况下，分解炉完成可以满足生产的正常生产。但如果生产提产10％以上，原设计可能就无法满足窑况的正常运行。本发明新增的扩容装置在原设计基础上延长停留时间3S以上，对窑况的稳定性提供了坚实的基础。

氧含量控制：通过调整高温风机转速及三次风闸阀来优化窑内和三次风的合理匹配，使得塔外新增扩容装置内空气过剩系数控制在＜1.0，最大化降低回转窑内产生的NOx，降低系统氮氧化物本底值。

温度控制：通过风、煤、料的调节，控制分解炉内温度合理分布，塔外分解炉保证温度＞900℃，塔内原分解炉出口>850℃，煤粉在分解炉内下部充分的无焰燃烧，提高还原区CO的浓度，同时保证锥体部位不结皮。

还原区化学反应时间控制：通过塔外分解炉提升的空间的增加延长煤粉燃烧及还原时间，新增塔外分解炉燃烧时间＞3s，原塔内分解炉物料停留时间大于4s，保证燃料在贫氧条件下无焰燃烧生成还原剂CO、H2等与回转窑和分解炉内生成的NOx进行还原反应。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带外置扩容降氮组合式分解炉，包括分解炉和扩容装置，其特征在于：所述扩容装置包括回转窑连接管、扩容器、燃尽炉，所述燃尽炉连接在分解炉的下方，所述回转窑连接管连通回转窑和扩容器，所述扩容器与燃尽炉连通，该扩容器上设有第一进风口，该第一进风口下方设有喷煤点，所述回转窑连接管和燃尽炉上也分别设有喷煤点，其中燃尽炉上设有第二进风口，所述分解炉中设有下料口，该下料口连通回转窑连接管将分解炉中的颗粒物向下沉淀后通至回转窑中；

所述扩容器包括中空炉体、连通管体，所述中空炉体竖直连通在回转窑连接管的上方，所述连通管体连通中空炉体的顶部和燃尽炉的侧部，所述第一进风口位于中空炉体的中下部。

2.根据权利要求1所述的一种带外置扩容降氮组合式分解炉，其特征在于：所述回转窑连接管为倾斜向上设置，该回转窑连接管上的喷煤点设置在回转窑连接管的中下部。

3.根据权利要求1所述的一种带外置扩容降氮组合式分解炉，其特征在于：所述中空炉体的横截面积为回转窑连接管横截面积的2-5倍，该中空炉体的高度与分解炉的高度一致，所述连通管体的横截面积为回转窑连接管横截面积的1.5-3倍。

4.根据权利要求1所述的一种带外置扩容降氮组合式分解炉，其特征在于：所述第二进风口连通燃尽炉的中部，该燃尽炉上的喷煤点设置在第二进风口的下方。

5.根据权利要求1所述的一种带外置扩容降氮组合式分解炉，其特征在于：所述第一进风口和第二进风口通过进风管交汇连通至同一个进风管中。

6.根据权利要求1-5任一项所述的带外置扩容降氮组合式分解炉的使用方法，其特征在于，使用所述带外置扩容降氮组合式分解炉增加停留时间,该带外置扩容降氮组合式分解炉增加停留时间的物料燃烧方法，包括以下步骤：

(1)在回转窑的出口处依次连接回转窑连接管、中空炉体、连通管体、燃尽炉，回转窑连接管内形成贫氧区，中空炉体和连通管体内形成缺氧区，燃尽炉中为燃尽区，然后将燃尽炉连通分解炉的下方，并且将其他管道阀门关闭；

(2)回转窑中的烟气开始进入后，对贫氧区、缺氧区和燃尽区中调节温度，在缺氧区和燃尽区中通入空气并控制含氧量，使物料在中空炉体、连通管体中一边分解一边通入燃尽区，进行充分燃烧分解；

(3)每间隔一段时间打开下料口的阀门，将分解炉和C5中沉积的颗粒物通入回转窑连接管中循环燃烧。

7.根据权利要求6所述的一种组合式分解炉增加停留时间的物料燃烧方法，其特征在于：所述控制含氧量是通过调整高温风机转速及三次风闸阀来优化窑内和三次风的合理匹配，使得塔外新增分解炉内空气过剩系数控制在＜1.0。

8.根据权利要求6所述的一种组合式分解炉增加停留时间的物料燃烧方法，其特征在于：所述调节温度是通过煤粉加入量的调节控制分解炉内温度合理分布，使中空炉体中的温度大于900℃，分解炉内的温度大于850℃，煤粉在分解炉内下部充分地无焰燃烧。