燃烧器升级改造在降低氮氧化物方面的应用
水泥 康达（山东）水泥有限公司 2020-11-13
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通过对规格型号EPIC-F3085燃烧器内风的结构形式改变，优化燃烧火焰形状及热力分布在窑内布局，在不影响煅烧质量基础上，通过加强了对煤粉的切割能力，实现了回转窑低氮燃烧，降低了氨水使用成本及环保成本，取得了良好经济效益。
关键字：燃烧器结构形式；低氮燃烧；成本与效益
1、生产情况介绍
我公司回转窑规格型号Φ4.2m*66m，设计能力3200t/d，目前实际生产能力4000t/d左右，窑头燃烧器采用第三代燃烧器，规格型号EPIC-F3085，2015年开始使用，随着精细化管理的逐步深入、产能的增加以及“五稳保一稳”理念的加强，窑头燃烧器的准确性及稳定性已经成为制约我公司窑系统热工制度的稳定以及能耗的降低的关键性问题，尤其随着低氮燃烧技术深度推广和环保形势的日益严峻，为了进一步提高燃烧器在煅烧过程中的性能，同时提高系统热工制度的稳定、改善熟料结粒、提升熟料质量、降低生产煤耗以及稳定窑皮，通过与生产厂家咨询沟通在节约成本的基础上对原有燃烧器进行技术改造，提高燃烧器的整体性能，可以达到降低生产能耗、提高熟料质量、降低氮氧化物排放实现低氮燃烧，同时降低了氨水使用成本及环保成本，取得了良好经济效益。
2、技术改造方案及实施过程
公司利用2019年年底水泥行业冬季供暖季错峰限产之际，与燃烧器厂家技术人员进行交流，厂家技术人员根据原有燃烧器自2014年至今使用情况，建议将燃烧器进行升级改造优化，改造思路如下：
1.外风结构及参数暂不做调整，保证火焰刚度及动能参数。
2.我公司原材料中石灰石品味不好，需两种石灰石搭配使用，成分如下：
两种石灰石一种结晶硅含量高（低钙低镁），一种MgO含量偏高（高钙高镁），两种石灰石搭配使用，并且均化设施相对落后，导致煅烧过程中液相容易提前出现，并且飞沙严重，2015年设计时考虑将燃烧器煅烧区域尽量控制在窑前，提高烧成带煅烧温度，避免煤粉后燃提前产生液相影响窑的稳定运行，根据近几年的实际使用情况来看，内风使用时都是将旋流体缩小出口截面积的情况下进行使用，此次改造方向着手从内风方面进行，增加内风调节方式，采用两种结构—齿槽型和EPIC型相结合，使内风调节区域更广，齿槽型结构有利于对粉煤的径向切割及混合，使燃烧区域的煤粉分布更均匀，温度场更合理，且外风风速快，火焰刚度强，大速差（外风风速280m/s-320m/s，煤风25m/s,内风220m/s），二次风与煤粉混合效率更高，EPIC型结构在齿槽结构内部，尺寸较原有燃烧器小，增大出口面积，保证燃烧器整体动能参数，径向扩散尺寸减小，避免煤粉燃烧过于集中以及烧成带核区温度过高。
3.两组内风结构使用为交替使用，通过阀门切换，可实现在线调节，相当于一根燃烧器同时具备两种设计思路，使用中调整更灵活，有利于找到最优化的使用方法。
结合燃烧器厂家设计思路，我公司拆除燃烧器浇注料后联系厂家对现有燃烧器返厂升级改造并进行维修维护，将原来四通道改造为五通道，燃烧器类型为拉法基型和EPIC型两种形式结合使用，组合方式拉法基型为外直流风+齿槽旋流风（1+3），EPIC型为外直流风+间隙旋流风（1+4），（1、2、3、4分别为燃烧器通道）同时结合煤质情况、熟料质量情况及窑内温度热力分布筒体温度情况对内风截面积及角度进行调整，升级改造前后数据如下表：
燃烧器升级改造前后样式如下图：
受疫情影响在3月底升级改造后返厂，在6月份山东区域错峰限产期间进行安装调试投入使用，该燃烧器采用如下表格两种组合方式：
实验过程中，我公司采用第一种外直流风+齿槽旋流风（1+3）进行生产运行，外直流使用压力在50kpa--55kpa，开度100%，齿槽旋流风使用压力在20kpa--25kpa，开度30%--50%。使用前后氨水使用量对比如下表：
由表三可以看出，2019年根据环保要求氮氧化物控制值为200mg/m3，实际折算平均值为176mg/m3，吨熟料氨水用量为3.63kg/t熟料，2020年随着环保形势的严峻，氮氧化物控制标准调整为100mg/m3，同时在不进行升级改造的情况下吨熟料氨水用量为5.87kg/t，折合小时流量为1057.4L/h，在工艺状况异常时很容易出现单点小时超标现象，并且吨熟料氨水成本及环保成本大幅上升。燃烧器升级改造投入运行后，2020年6月份、7月份两个月吨熟料氨水用量为4.05kg/t，并且两个月运行平稳。
升级改造前后筒体温度热力分布变化如下图：
对比升级改造前后筒体温度热力分布，火焰集中度较之前略有降低，过渡带温度略有上升，由于该燃烧器风压大，不影响烧成系统煅烧效果，并且由于火焰集中度更加科学，减少了短焰急烧带来的熟料中存在还原料的质量问题，熟料结粒及发育也更加完好，有利于质量的进一步改善。
3、效益分析：
燃烧器升级改造后在同种氮氧化物控制排放条件下相比改造前吨熟料降低氨水用量1.82kg/t，目前我公司氨水采购无税单价在630元/吨，2020年年产熟料产量76万吨，年创效益额为76万吨*1.82kg/t*1000*630元/吨=87.1416万元。效益相当可观，并且解决了在工艺状况异常时很容易出现单点小时超标现象，避免了环保问题发生，降低了环保压力。
4、结论：
通过对燃烧器内风的结构形式改变，优化燃烧火焰形状及在窑内布局，在不影响煅烧质量基础上，通过加强对煤粉的切割能力，可以实现低氮燃烧，降低氨水使用成本及环保成本，取得良好经济效益。同时避免了环保问题发生，降低了环保压力。此次燃烧器升级改造比较成功，值得行业借鉴。
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