我公司于2012年承建意大利水泥集团的保加利亚DEV项目，熟料产能为4000t/d，经过2年多的施工建设与生产调试，于2014年10月点火投产，并于2015年7月获得业主颁发的PAC证书，各项指标均达到合同要求。尤其是本项目的窑尾脱硝系统具有一定代表性，在此将该系统在生产中遇到的问题作总结与分析。
1项目信息
DEV项目烧成系统要求能够满足使用石油焦、原煤和天然气作为燃料，同时要求分解炉能够适应不低于25%的RDF（RefuseDerivedFuel，垃圾衍生燃料）作为辅助燃料。生产期间所使用燃料成分见表1，合同要求NOx排放浓度＜400mg/m3(标态，下同)，见表2。根据经验，仅在使用石油焦做燃料情况下难以满足此数据要求，所以DEV项目配备了SNCR系统。
DEV项目能力以及NOx排放指标与我公司此前承接HOLCIM公司在阿塞拜疆的G项目基本一致。2012年投产的G项目主燃料为天然气，同时也要求适应废轮胎等辅助燃料，G项目在启用SNCR的情况下，废气NOx排放浓度低于245mg/m3。经过物料烧成实验分析和海拔校正，使用G项目的烧成系统能够满足DEV项目的需求，因此仍然使用我公司自行研发的DDF分解炉（焚烧城市废弃物的在线型多缩口低氮分解炉），烧成系统部分参数见表3。
表1生产期间使用燃料的成分
表2SNCR脱硝性能保证数据
表3烧成系统部分数据
2分解炉特点
为满足水泥生产中替代燃料的使用，尤其是城市生活垃圾、农作物以及废轮胎、木材等大块物料的直接使用，同时满足低氮环保的要求，我公司在DD型分解炉基础上开发了DDF型分解炉，该分解炉共计四部分：最下部分为低氮还原区，第二部分为燃烧区域，第三部分为再燃烧区域，第四部分为鹅颈管，为后燃烧以及脱硝系统安装区域，如图1所示。
图1DDF分解炉结构示意
DDF分解炉的特点是:①燃料适应性广，能够适应挥发性低、燃点高、燃烧时间长的石油焦；②炉容大，能够适应多种尺寸和形状的替代燃料，如稻壳、木材和废轮胎等，同时还原区域较大，能够充分脱硝；③三个缩口，炉中物料形成多次喷腾，生料与燃料混合均匀，加快生料分解速率；④鹅颈管长，便于原料分解，延长分界区域，同时便于多层安装SNCR系统；⑤三次风分为上下两部分进入分解炉，便于形成大面积还原气氛，能够有效降低NOx浓度；⑥DDF分解炉的下料口较多，调节方式灵活，能与三次风一起调节还原气氛区域大小；⑦带有脱硝燃烧器，与多级物料入口和上下两级三次风形成分级燃烧体系，脱硝燃烧器位于烟室上方，燃料在缺氧的烟室废气中燃烧，产生高浓度还原性气体CO、H2以及CH4等，这些气体在生料中Fe2O3和Al2O3催化作用下与烟室喷腾而上的废气中的NOx发生还原反应，从而降低NOx的含量。
延伸阅读：
3SNCR原理及其布置
一般而言采用无烟煤的生产线的NOx排放浓度较烟煤高约300mg/m3[1]，石油焦燃点高于无烟煤，挥发分也低于无烟煤，所以回转窑在使用石油焦作燃料时，NOx排放浓度应该较无烟煤更高，单纯依靠分级燃烧技术难以实现性能保证指标，所以本项目增设了一套使用25%浓度氨水的SNCR系统。研究表明，氨水脱硝的窗口温度为850~1050℃，而DDF炉的出口温度在866℃左右，C5入口温度在875℃左右。所以鹅颈管是DDF炉系统的最佳脱硝位置，将氨水喷头分上下两层共8个喷头安装在分解炉出口以及鹅颈管上。
4问题及分析
4.1烟室NOx超标
在调试期间，因为使用石油焦做燃料，窑尾烟室NOx含量高达1520mg/m3，烟囱出口的NOx为1250mg/m3，远高于其他项目同类型分解炉的排放浓度。石油焦燃烧特性类似无烟煤，挥发分较低，燃点较高，燃烧时需要较多的氧气参与，从而需要大量空气，会产生更多的热力型NOx。同时石油焦的氮含量远高于煤，根据日本丰桥大学的固体燃料氮含量转化率[2]（式1），使用表1中的数据计算出石油焦的氮转化率在回转窑中为1.2左右，在分解炉中转化率为0.9左右，意味着不仅燃料中的氮几乎全部转化为NOx，还会将空气中的氮氧化。
CR=4.07×10-1-1.28×10-1N+3.34×10-4V2×(a-1)+5.55×10-4Tmax+3.5×10-3Ro2（1）
式中：
CR——燃料中N转化率；
N——燃料中干燥基含氮量；
V——燃料中干燥基挥发分含量；
a——过剩空气系数；
Tmax——燃烧时的最高温度；
Ro2——燃烧时氧的浓度。
烟室内NOx含量高的另一个原因是窑头一次风量过大。本项目要求适用两种固体燃料，其中煤的热值为24554kJ/kg，远低于石油焦热值，但对于燃料输送系统来说需要根据大用量、低热值的煤粉来选型。所以在使用石油焦时燃烧器煤粉输送风量过大。根据石油焦的热值，窑头需用量为6t/h左右，输送风量只需要大约1200m3/h，而煤粉输送设备能力为3332m3/h，远大于实际需要风量。但煤粉输送管道的直径已定，罗茨风机是固定转速，风量也只能依靠旁路放风来调节，为保证燃料输送过程中不在管道中沉积，风量仅能下调25%，虽然NOx指标有所下降（1260mg/m3），但一次风量仍然过剩，在石油焦的高温火焰中形成大量热力型NOx。
4.2分解炉的调节和使用
DDF炉的三次风和物料是分别进入分解炉，能够充分利用分级燃烧机制。为了扩大炉内还原气氛区域，考虑一次风较大，所以在生产中三次风下部进风口开度为5%，95%由上部进风口进入分解炉；在确保烟室不结皮情况下，关闭下部进料口，采用上部进料口为70%，中部进料口为30%的喂料方式；石油焦则主要以低氮分解炉为主喷入，上部主燃烧器为辅，尽可能在炉底形成含有较多CO的还原气氛。CO含量增大，最佳脱硝温度持续往低温方向移动，同时最佳脱硝反应温度下的脱硝效率(称为最佳脱硝效率)呈下降趋势，这一点在氨水作为还原剂时尤为明显[3]。同时燃料在悬浮条件下快速燃烧，随着CO2浓度的升高，燃烧着的煤粉与CO2反应而生成的CO量相对增加，CO浓度增加会促进焦炭中活性炭的增多，高温下活性炭可直接与NOx反应生成N2，进一步降低NOx的排放浓度。经过分解炉的分级燃烧和还原气氛的作用，烧成系统的NOx排放浓度有了明显改善，在不使用SNCR系统情况下，烟囱的NOx排放浓度降低到720mg/m3。
4.3RDF的使用
本项目使用的RDF含有较高的碳、氢，热解气化后生成较多的可燃气；几乎为零的氮含量说明在热解过程中不会产生NOx。根据研究RDF在燃烧过程中会产生大量CHi以及CO，而这些成分都可以进一步将NOx还原为N2。而相对较高的水含量（15%，远高于煤粉的0.8%）在高温下，水分子裂解，能够进一步增强分解炉内还原气氛。系统稳定后在分解炉开始加入4t/h的RDF燃料，分解炉燃烧器系统的石油焦使用量由原来的9t/h，降低为7.5t/h（该数值并没有严格按照热值换算，可能与水分等其他因素有关）。经过几天的生产测试，在以RDF为辅助燃料时，系统运行良好，保持产能不变情况下，RDF投入量也由原来的4t/h提高到6t/h，在不使用SNCR时，窑尾的NOx平均浓度值为430mg/m3。
4.4测试结果
在生产稳定后，保证熟料产能4000t/d的基础上，对脱硝系统进行性能测试，见图2，当RDF喂料量为4t/h时，氨水使用量平均值为389.8L/h，NOx排放浓度为392mg/m3，氨逃逸浓度低于5mg/m3；在保证氨逃逸浓度不超标情况下，加大氨水喷入量，在630L/h时，曾实现窑尾NOx排放浓度低于300mg/m3。
5结论
经过半年的生产统计，DEV项目使用DDF炉脱硝取得良好效果。通过分级喂入原燃料，三次风分级进入燃烧区域，合理利用了分级燃烧机制，实现了高氮燃料的低NOx排放目标；较大的炉容和多级喷腾缩口效果满足RDF等替代燃料的要求。通过本项目实践可知：
1)采用石油焦为燃料时，DDF炉能实现低氮排放的要求。
2)烧成系统考虑两种固体燃料时，对热值较高的燃料容易产生一次风过大的情况，固体燃料输送管道的直径尽可能综合考虑，满足两种燃料的要求，同时罗茨风机尽可能采用变频。
3)使用RDF替代高氮燃料时，不仅能降低成本，同时能够降低窑尾废气的NOx排放浓度。
延伸阅读：
原标题：DDF分解炉脱硝系统的应用与分析
