活性石灰窑低氮燃烧技术
作者：谢斌
来源：《中国化工贸易·中旬刊》2018年第06期
摘 要：本文重点介绍了无焰燃烧、低NOx燃烧器、分级燃烧等低氮燃烧技术在活性石灰窑上的应用。环形套筒窑下燃烧室采用高效喷射、结合工艺调整可实现无焰燃烧，避免局部高温区的形成，提高下燃烧室及下拱桥的使用寿命，并抑制热力型NOx的生成。在此基础上，采用CFD技术对上燃烧室燃烧器进行优化调整，在不提高燃烧室温度的前提下，有效增加燃料燃烬率。回转窑采用分级燃烧技术可降低窑内的燃烧温度，减少结圈形成，窑尾烟室的还原性气氛有利于还原烟气中的NOx。
关键词：活性石灰窑；高效喷射；无焰燃烧；分级燃烧；低NOx燃烧器
Abstract：Flameless combustion， low NOx burner and staged combustion of active lime kiln are mainly introduced in this paper. Annular shaft kiln down-combustion chamber adopting high efficient injection and process adjustment can realize flameless combustion， which can avoid local high temperature， improve the service life of combustion chamber and arch bridge， and inhibit the production of thermal NOx. CFD technology was applied to optimize the up-combustion burner to increase the fuel burnout rate， meanwhile， the chamber temperature keep the same level. Rotary kiln adopts staged combustion technology can decrease the combustion temperature and reduce the ringing formation. The reducing atmosphere of flue chamber is beneficial to reduction of NOx in flue gas.
Key words：Active lime kiln；High efficient jet；Flameless combustion；Staged combustion；Low NOx burner
1 前言
石灰作为一种重要的电石生产原料，是决定电石质量的关键因素，高活性的石灰可以降低电石生产中的电耗，提高电石产品品位[1]。为加快产业结构调整和淘汰落后产能，国家先后出台多项政策，限制和淘汰规模小、能耗高、污染严重的敞开式电石炉，鼓励推广密闭炉[2]。随着这一产业政策的推出，石灰产品质量好、活性度高的环形套筒窑和回转窑在电石行业得到大规模的发展。
随着国家环保节能及可持续性发展经济政策的强力推进，降低环形套筒窑和回转窑在生产过程中的烟气污染物含量已迫在眉睫。近年来，国内活性石灰窑设计研发单位整合自身在研发、设计、调试上的优势，推出了套筒窑无焰燃烧技术、低氮燃烧器、回转窑分级燃烧技术，为活性石灰窑的技术革新、环境相容性提供了新的技术发展方向。
2 环形套筒窑中低NOx燃烧技术
2.1 无焰燃烧
传统套筒窑一般采用有焰燃烧的方式，生产过程中容易造成局部高温区及低温区，导致石灰质量参差不齐，严重的会损坏耐材。
无焰燃烧技术基本思想是让燃料在高温低氧浓度气氛中燃烧[3]，其包含两项基本技术措施：一项是采用热回收系统，提高助燃或燃气的显热，另一项是将燃烧过的烟气卷入燃烧室，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度3%～15%的低氧气氛[4]。燃料在这种高温低氧气氛中，形成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释放出能量，不出现传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧是一种动态反应，不具备静态火焰。它具有高效节能和超低NOx排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技术[5～7]。
环形套筒窑无焰燃烧[8]是通过高速的燃料射流和高温低氧的燃烧环境，在燃烧器喷嘴出口形成了一个较大的锥形低温稀释区，区域周围的循环烟气不断被卷吸，对未燃气进行稀释混合。由于湍流输运和扩散过程引起的热交换、耐材和高温烟气的辐射以及反应放热，未燃气温度不断提升，在循环气体切向进入形成的旋流与周围烟气之间的剪切层以及射流下游，温度升至1000℃左右，而整个燃烧空间中氧气的体积分数不到10%，从而可以消除明显的火焰前沿。整个温度场温度低于1200℃，没有集中的高温反应区。由于燃烧反应的分散、燃烧峰值温度的降低，使得热力型NOx大大降低。
环形套筒窑无焰燃烧技术多指下燃烧室实现无焰燃烧状态。在下燃烧室实现无焰燃烧，具有如下的特点：
①下燃烧室采用高效喷射技术[9]，在基本不增加驱动空气引射源流量的情况下大大增强引射动力，使得更多的回流烟气以旋流卷入式的方式参与燃烧。由于循环烟气本身的高温及低氧气氛特征，采取高效喷射技术，为无焰燃烧创造了基本条件。
②下燃烧室的助燃空气主要由来自于冷却下内套筒的一次空气、来自于空气换热器换热后的二次空气以及用于冷却石灰后的三次空气组成。在整体空气过剩系数保证的前提下，关闭下燃烧室的一次空气，可有效提高燃烧前混合物的温度及氧含量。
③无焰燃烧属扩散控制反应，有良好的热力学条件，无局部高温高氧区，火焰体积大，亮度低，颜色浅，炉内温度分布均匀，为耐火材料创造了健康的使用环境。下燃烧室实现无焰燃烧，有效提高了下燃烧室、下拱桥的使用寿命及整个环形套筒窑内衬的大修周期。
④进一步采取燃气预热技术，例如采取烟气-煤气换热器[10]，将更有利于提高无焰燃烧的效率及稳定性。
⑤无焰燃烧技术可以避免传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区，有效的降低了热力型NOx的生成。
2.2 上燃烧室低NOx燃烧器
环形套筒窑采用上燃烧室欠氧燃烧与下燃烧室过氧燃烧有机结合的方式对产品质量实施有效控制，但欠氧燃烧必然导致未完全燃烧的燃气进入料层进行燃烧放热，并且未燃烬的燃气可能直接经上内套筒而后进入换热器；另一方面未燃烬的燃气进入预热带后因烟气温度的降低而无法继续燃烧，导致套筒窑烟气中CO含量较高，这不仅造成环境污染，更是导致了能源的浪费。
基于此，采用CFD对传统的上燃烧器及新型低NOx燃烧器进行了数值模拟，在不改变燃气量的基础上提高上燃烧室的燃烬率，进而达到降低污染物排放浓度、降低产品单位热耗。
2.2.1 计算模型
以产量600TPD、热耗950 kCal/kg、转炉煤气热值1777.4kCal/Nm3为计算条件，计算得到单个上燃烧室所需转炉煤气量为636.3Nm3/h，根据理论燃烧温度的计算公式，控制其理论燃烧温度为1300℃左右，上燃烧室采用欠氧燃烧的方式，同时考虑热损失系数0.1，计算得到其配风系数为0.488，单个上燃烧室所需总助燃风为428.8Nm3/h。燃烧室尺寸设置为Φ1000×5000mm，模拟计算中延长燃烧室长度的目的在于消除燃烧室出口回流对燃烧室温度场的影响。
计算模型A采用传统燃烧器，如图3（a）所示，转炉煤气流量为636.3 Nm3/h；计算模型B采用低NOx燃烧器，如图3（b）所示，由中心烧嘴与行星烧嘴组成，中心转炉煤气的流量为103.9 Nm3/h，外侧转炉煤气流量为532.4 Nm3/h。
2.2.2 结果分析
上燃烧室X=0截面温度场分布如图4所示，各关键位置温度值如表1所示。
对比模型A、B的壁面峰值温度，结合X=0截面温度场分布，可以看出，采用燃气分级型燃烧器后，燃烧室壁面峰值温度有明显的下降，其主要原因在于分级后低温的燃气对壁面有一定的冷却保护作用。模型A中壁面峰值温度位于燃烧器出口附近，即接近燃烧器面板附近，而B的壁面峰值温度出现在燃烧室出口附近，这是因为分级后的外圈燃气对壁面的保护，至燃烧室出口处，外圈燃气与氧气接触逐步燃烧放热。模型B的火焰峰值温度较A有明显的提高，这是因为B中心燃气的空气过剩系数较大，燃气属于过氧燃烧，火焰峰值温度与传统燃烧基本一致。同时，燃气分级后，由于燃烧器周围分级燃气的引射作用，可以卷吸一部分主燃气的废气重新参与燃烧，从而更有效的提高了燃气的燃烬率。
通过上述分级燃烧器的模拟结果显示，燃气分级后，可以明显的降低燃烧室的壁面温度，对耐材起到了一定的保护作用。同时由于分级燃气周围形成的还原性气氛可以有效的抑制主燃气燃烧时的NOx生成，从而降低了NOx的排放量。
2.3 套筒窑NOx实际排放量检测及对比
表2列举了采用无焰燃烧及上燃烧室低氮燃烧器等技术的环形套筒窑与传统套筒窑的烟气检测结果。从检测数据可以看出采用高效喷射技术形成无焰燃烧并采用新型低氮燃烧器的环形套筒窑在降低NOx排放上的优势。
3 石灰回转窑低NOx燃烧技术
回转窑是最早开发的大型石灰生产窑炉，在国内外得到广泛应用[11]。降低石灰回转窑窑尾NOx的排放量通常通过两种方式：一方面在窑头采用一次风推力强、二次风利用率高的低NOx燃烧器[12]；另一方面采用燃料分级燃烧技术来进一步降低回转窑NOx排放量。
回转窑分级燃烧技术，是通过分配一部分燃料到回转窑窑尾烟室内燃烧，提高预热器内石灰石的预热温度，减少回转窑窑头燃烧器的燃料量，从而降低回转窑内的燃烧温度，使燃烧温度低于石灰石杂质、煤灰的熔融温度，避免低共熔物的形成，从而大大减少煤结圈的形成。同时，回转窑内的温度场的整体温度下降，将减少煤粉燃烧过程产生的热力型NOx的量。
3.1 燃料分级燃烧
将5～30%的煤粉送入窑尾烟室内燃烧，有利于提高预热器内石灰石的预热温度，使石灰石在预热器内发生部分分解。原料进入回转窑后，进一步吸收热量完成分解过程并生成石灰。70～95%的煤粉从回转窑窑头燃烧器送入回转窑内燃烧，对已经发生部分分解的石灰石进行煅烧。这部分煤粉燃烧所需的空气量来自回转窑烧嘴助燃风、煤粉输送风、窑头石灰冷却器内的石灰冷却风。
燃料分级后，不仅有利于提高燃料的燃烬率，同时燃料量下降和大量的石灰石冷却风参与燃烧有利于回转窑内整体温度下降且能形成更加均匀的温度场，筒体温度亦相应的降低，回转窑筒体辐射散热量也相应的降低，即燃烬率的提高和热损失的减少降低了整个石灰回转窑系统的热耗。
3.2 分级燃烧技术的成效
采用燃料分级燃烧技术后，回转窑内的温度场的整体温度下降。预热器内燃料所处的环境为还原性气氛，燃料在低氧的环境中燃烧产生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等还原剂，这些还原剂与窑尾烟气中的NOx发生反应，将部分NOx还原成N2。此外，燃料在缺氧条件下燃烧也抑制了燃料型NOx产生，从而大大减少了回转窑NOx排放量。
4 结论
①高效喷射技术使环形套筒窑并流煅烧工艺得到了新的注释，循环气体量的增加不仅提高了煅烧产品的品质，而且使窑内的蓄热量增加，窑顶及出灰温度降低，降低系统热耗。
②无焰燃烧技术可以消除明显的火焰前沿，燃烧室内温度低于1200℃，没有局部高温去，由于燃烧反应的分散、燃烧峰值温度的降低，大大减少热力型NOx的生成量。
③通过在上燃烧室使用低NOx燃烧器，能够在满足上燃烧室欠氧燃烧的工艺条件下，提高燃料燃烬率，避免燃烧室温度超出耐材能够承受的范围，实现安全可靠的低NOx燃烧。
④在石灰回转窑上采用分级燃烧技术，可以降低回转窑内火焰强度，避免窑内低共熔物的形成，减少结圈，有利于减少热力型NOx的生成，同时，窑尾烟室的燃料二次燃烧，创造还原性气氛有利于还原窑内烟气已生成的NOx。
参考文献：
[1]关林.电石生产中生石灰的影响作用[J].硅谷，2012，5 （16）：130.
[2]王燕.电石生产主要固体废弃物综合利用研究[D].北京：北京化工大学，2016.
[3]杨卫宏，萧泽强.无焰燃烧过程的数学模拟[J].煤气与热力，2000（4）：258-261.
[4]艾元方，蒋绍坚，周孑民.高风温无焰燃烧装置的开发与应用[J].煤气与热力，2001（2）：130-135.
[5]梁启锐.无焰燃烧技术在阳煤电石环形套筒窑中的应用[J].山西化工， 2017（4）：80-81.
[6] Song Y H， POHL J H， BEÉR J M， et al. Nitric oxide formation during pulverized coal combustion[J]. Combustion science and technology，1982，28（1-2）：31-40.
[7] 张福宝，罗永浩，胡瓅元，等.高温空气燃烧若干因素对NOx生成量的影响[J].热能动力工程，2006（2）：115-118.
[8]沈浩，王志林，王占华，等.无焰燃烧技术在环形套筒窑上的应用[J].能源研究与利用，2012（06）：37-40.
[9]肖奋飞，傅太陆，沈浩，等.一种应用于环形套筒窑的喷射器[P].专利号：ZL201020101743.5.
[10]郑云，沈浩，庞焕军.环形套筒窑废气余热利用装置[P].ZL 200820031027.7.
[11]刘俊光.中国大型石灰窑现状及发展趋势[J].耐火与石灰，2010，35（1）： 1-3.
[12]丁奇生，李松.HP强涡流型多通道燃烧器的开发与应用[J].水泥技术，2006（03）：54-55.
