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活性石灰窯低氮燃燒技術

2022-02-10

活性石灰窯低氮燃燒技術
作者:謝斌
來源:《中國化工貿易·中旬刊》2018年第06期

        摘 要:本文重點介紹了無焰燃燒、低NOx燃燒器、分級燃燒等低氮燃燒技術在活性石灰窯上的應用。環形套筒窯下燃燒室采用高效噴射、結合工藝調整可實現無焰燃燒,避免局部高溫區的形成,提高下燃燒室及下拱橋的使用壽命,并抑制熱力型NOx的生成。在此基礎上,采用CFD技術對上燃燒室燃燒器進行優化調整,在不提高燃燒室溫度的前提下,有效增加燃料燃燼率?;剞D窯采用分級燃燒技術可降低窯內的燃燒溫度,減少結圈形成,窯尾煙室的還原性氣氛有利于還原煙氣中的NOx。

        關鍵詞:活性石灰窯;高效噴射;無焰燃燒;分級燃燒;低NOx燃燒器

        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

        石灰作為一種重要的電石生產原料,是決定電石質量的關鍵因素,高活性的石灰可以降低電石生產中的電耗,提高電石產品品位[1]。為加快產業結構調整和淘汰落后產能,國家先后出臺多項政策,限制和淘汰規模小、能耗高、污染嚴重的敞開式電石爐,鼓勵推廣密閉爐[2]。隨著這一產業政策的推出,石灰產品質量好、活性度高的環形套筒窯和回轉窯在電石行業得到大規模的發展。

        隨著國家環保節能及可持續性發展經濟政策的強力推進,降低環形套筒窯和回轉窯在生產過程中的煙氣污染物含量已迫在眉睫。近年來,國內活性石灰窯設計研發單位整合自身在研發、設計、調試上的優勢,推出了套筒窯無焰燃燒技術、低氮燃燒器、回轉窯分級燃燒技術,為活性石灰窯的技術革新、環境相容性提供了新的技術發展方向。

        2 環形套筒窯中低NOx燃燒技術

        2.1 無焰燃燒

        傳統套筒窯一般采用有焰燃燒的方式,生產過程中容易造成局部高溫區及低溫區,導致石灰質量參差不齊,嚴重的會損壞耐材。

        無焰燃燒技術基本思想是讓燃料在高溫低氧濃度氣氛中燃燒[3],其包含兩項基本技術措施:一項是采用熱回收系統,提高助燃或燃氣的顯熱,另一項是將燃燒過的煙氣卷入燃燒室,稀釋反應區的含氧體積濃度,獲得濃度3%~15%的低氧氣氛[4]。燃料在這種高溫低氧氣氛中,形成與傳統燃燒過程完全不同的熱力學條件,在與貧氧氣體作延緩狀燃燒下釋放出能量,不出現傳統燃燒過程中出現的局部高溫高氧區。這種燃燒是一種動態反應,不具備靜態火焰。它具有高效節能和超低NOx排放等多種優點,又被稱為環境協調型燃燒技術[5~7]。

        環形套筒窯無焰燃燒[8]是通過高速的燃料射流和高溫低氧的燃燒環境,在燃燒器噴嘴出口形成了一個較大的錐形低溫稀釋區,區域周圍的循環煙氣不斷被卷吸,對未燃氣進行稀釋混合。由于湍流輸運和擴散過程引起的熱交換、耐材和高溫煙氣的輻射以及反應放熱,未燃氣溫度不斷提升,在循環氣體切向進入形成的旋流與周圍煙氣之間的剪切層以及射流下游,溫度升至1000℃左右,而整個燃燒空間中氧氣的體積分數不到10%,從而可以消除明顯的火焰前沿。整個溫度場溫度低于1200℃,沒有集中的高溫反應區。由于燃燒反應的分散、燃燒峰值溫度的降低,使得熱力型NOx大大降低。

        環形套筒窯無焰燃燒技術多指下燃燒室實現無焰燃燒狀態。在下燃燒室實現無焰燃燒,具有如下的特點:

        ①下燃燒室采用高效噴射技術[9],在基本不增加驅動空氣引射源流量的情況下大大增強引射動力,使得更多的回流煙氣以旋流卷入式的方式參與燃燒。由于循環煙氣本身的高溫及低氧氣氛特征,采取高效噴射技術,為無焰燃燒創造了基本條件。

        ②下燃燒室的助燃空氣主要由來自于冷卻下內套筒的一次空氣、來自于空氣換熱器換熱后的二次空氣以及用于冷卻石灰后的三次空氣組成。在整體空氣過剩系數保證的前提下,關閉下燃燒室的一次空氣,可有效提高燃燒前混合物的溫度及氧含量。

        ③無焰燃燒屬擴散控制反應,有良好的熱力學條件,無局部高溫高氧區,火焰體積大,亮度低,顏色淺,爐內溫度分布均勻,為耐火材料創造了健康的使用環境。下燃燒室實現無焰燃燒,有效提高了下燃燒室、下拱橋的使用壽命及整個環形套筒窯內襯的大修周期。

        ④進一步采取燃氣預熱技術,例如采取煙氣-煤氣換熱器[10],將更有利于提高無焰燃燒的效率及穩定性。

        ⑤無焰燃燒技術可以避免傳統燃燒過程中出現的局部高溫高氧區,有效的降低了熱力型NOx的生成。

        2.2 上燃燒室低NOx燃燒器

        環形套筒窯采用上燃燒室欠氧燃燒與下燃燒室過氧燃燒有機結合的方式對產品質量實施有效控制,但欠氧燃燒必然導致未完全燃燒的燃氣進入料層進行燃燒放熱,并且未燃燼的燃氣可能直接經上內套筒而后進入換熱器;另一方面未燃燼的燃氣進入預熱帶后因煙氣溫度的降低而無法繼續燃燒,導致套筒窯煙氣中CO含量較高,這不僅造成環境污染,更是導致了能源的浪費。

        基于此,采用CFD對傳統的上燃燒器及新型低NOx燃燒器進行了數值模擬,在不改變燃氣量的基礎上提高上燃燒室的燃燼率,進而達到降低污染物排放濃度、降低產品單位熱耗。

        2.2.1 計算模型

        以產量600TPD、熱耗950 kCal/kg、轉爐煤氣熱值1777.4kCal/Nm3為計算條件,計算得到單個上燃燒室所需轉爐煤氣量為636.3Nm3/h,根據理論燃燒溫度的計算公式,控制其理論燃燒溫度為1300℃左右,上燃燒室采用欠氧燃燒的方式,同時考慮熱損失系數0.1,計算得到其配風系數為0.488,單個上燃燒室所需總助燃風為428.8Nm3/h。燃燒室尺寸設置為Φ1000×5000mm,模擬計算中延長燃燒室長度的目的在于消除燃燒室出口回流對燃燒室溫度場的影響。

        計算模型A采用傳統燃燒器,如圖3(a)所示,轉爐煤氣流量為636.3 Nm3/h;計算模型B采用低NOx燃燒器,如圖3(b)所示,由中心燒嘴與行星燒嘴組成,中心轉爐煤氣的流量為103.9 Nm3/h,外側轉爐煤氣流量為532.4 Nm3/h。

        2.2.2 結果分析

        上燃燒室X=0截面溫度場分布如圖4所示,各關鍵位置溫度值如表1所示。

        對比模型A、B的壁面峰值溫度,結合X=0截面溫度場分布,可以看出,采用燃氣分級型燃燒器后,燃燒室壁面峰值溫度有明顯的下降,其主要原因在于分級后低溫的燃氣對壁面有一定的冷卻保護作用。模型A中壁面峰值溫度位于燃燒器出口附近,即接近燃燒器面板附近,而B的壁面峰值溫度出現在燃燒室出口附近,這是因為分級后的外圈燃氣對壁面的保護,至燃燒室出口處,外圈燃氣與氧氣接觸逐步燃燒放熱。模型B的火焰峰值溫度較A有明顯的提高,這是因為B中心燃氣的空氣過剩系數較大,燃氣屬于過氧燃燒,火焰峰值溫度與傳統燃燒基本一致。同時,燃氣分級后,由于燃燒器周圍分級燃氣的引射作用,可以卷吸一部分主燃氣的廢氣重新參與燃燒,從而更有效的提高了燃氣的燃燼率。

        通過上述分級燃燒器的模擬結果顯示,燃氣分級后,可以明顯的降低燃燒室的壁面溫度,對耐材起到了一定的保護作用。同時由于分級燃氣周圍形成的還原性氣氛可以有效的抑制主燃氣燃燒時的NOx生成,從而降低了NOx的排放量。

        2.3 套筒窯NOx實際排放量檢測及對比

        表2列舉了采用無焰燃燒及上燃燒室低氮燃燒器等技術的環形套筒窯與傳統套筒窯的煙氣檢測結果。從檢測數據可以看出采用高效噴射技術形成無焰燃燒并采用新型低氮燃燒器的環形套筒窯在降低NOx排放上的優勢。

        3 石灰回轉窯低NOx燃燒技術

        回轉窯是最早開發的大型石灰生產窯爐,在國內外得到廣泛應用[11]。降低石灰回轉窯窯尾NOx的排放量通常通過兩種方式:一方面在窯頭采用一次風推力強、二次風利用率高的低NOx燃燒器[12];另一方面采用燃料分級燃燒技術來進一步降低回轉窯NOx排放量。

        回轉窯分級燃燒技術,是通過分配一部分燃料到回轉窯窯尾煙室內燃燒,提高預熱器內石灰石的預熱溫度,減少回轉窯窯頭燃燒器的燃料量,從而降低回轉窯內的燃燒溫度,使燃燒溫度低于石灰石雜質、煤灰的熔融溫度,避免低共熔物的形成,從而大大減少煤結圈的形成。同時,回轉窯內的溫度場的整體溫度下降,將減少煤粉燃燒過程產生的熱力型NOx的量。

        3.1 燃料分級燃燒

        將5~30%的煤粉送入窯尾煙室內燃燒,有利于提高預熱器內石灰石的預熱溫度,使石灰石在預熱器內發生部分分解。原料進入回轉窯后,進一步吸收熱量完成分解過程并生成石灰。70~95%的煤粉從回轉窯窯頭燃燒器送入回轉窯內燃燒,對已經發生部分分解的石灰石進行煅燒。這部分煤粉燃燒所需的空氣量來自回轉窯燒嘴助燃風、煤粉輸送風、窯頭石灰冷卻器內的石灰冷卻風。

        燃料分級后,不僅有利于提高燃料的燃燼率,同時燃料量下降和大量的石灰石冷卻風參與燃燒有利于回轉窯內整體溫度下降且能形成更加均勻的溫度場,筒體溫度亦相應的降低,回轉窯筒體輻射散熱量也相應的降低,即燃燼率的提高和熱損失的減少降低了整個石灰回轉窯系統的熱耗。

        3.2 分級燃燒技術的成效

        采用燃料分級燃燒技術后,回轉窯內的溫度場的整體溫度下降。預熱器內燃料所處的環境為還原性氣氛,燃料在低氧的環境中燃燒產生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等還原劑,這些還原劑與窯尾煙氣中的NOx發生反應,將部分NOx還原成N2。此外,燃料在缺氧條件下燃燒也抑制了燃料型NOx產生,從而大大減少了回轉窯NOx排放量。

        4 結論

        ①高效噴射技術使環形套筒窯并流煅燒工藝得到了新的注釋,循環氣體量的增加不僅提高了煅燒產品的品質,而且使窯內的蓄熱量增加,窯頂及出灰溫度降低,降低系統熱耗。

        ②無焰燃燒技術可以消除明顯的火焰前沿,燃燒室內溫度低于1200℃,沒有局部高溫去,由于燃燒反應的分散、燃燒峰值溫度的降低,大大減少熱力型NOx的生成量。

        ③通過在上燃燒室使用低NOx燃燒器,能夠在滿足上燃燒室欠氧燃燒的工藝條件下,提高燃料燃燼率,避免燃燒室溫度超出耐材能夠承受的范圍,實現安全可靠的低NOx燃燒。

        ④在石灰回轉窯上采用分級燃燒技術,可以降低回轉窯內火焰強度,避免窯內低共熔物的形成,減少結圈,有利于減少熱力型NOx的生成,同時,窯尾煙室的燃料二次燃燒,創造還原性氣氛有利于還原窯內煙氣已生成的NOx。

        參考文獻:

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        [2]王燕.電石生產主要固體廢棄物綜合利用研究[D].北京:北京化工大學,2016.

        [3]楊衛宏,蕭澤強.無焰燃燒過程的數學模擬[J].煤氣與熱力,2000(4):258-261.

        [4]艾元方,蔣紹堅,周孑民.高風溫無焰燃燒裝置的開發與應用[J].煤氣與熱力,2001(2):130-135.

        [5]梁啟銳.無焰燃燒技術在陽煤電石環形套筒窯中的應用[J].山西化工, 2017(4):80-81.

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        [8]沈浩,王志林,王占華,等.無焰燃燒技術在環形套筒窯上的應用[J].能源研究與利用,2012(06):37-40.

        [9]肖奮飛,傅太陸,沈浩,等.一種應用于環形套筒窯的噴射器[P].專利號:ZL201020101743.5.

        [10]鄭云,沈浩,龐煥軍.環形套筒窯廢氣余熱利用裝置[P].ZL 200820031027.7.

        [11]劉俊光.中國大型石灰窯現狀及發展趨勢[J].耐火與石灰,2010,35(1): 1-3.

        [12]丁奇生,李松.HP強渦流型多通道燃燒器的開發與應用[J].水泥技術,2006(03):54-55.

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