回转窑燃烧器降低氮氧化物机理分析

李　宁，赵　亮

回转窑燃烧器降低氮氧化物机理分析

李宁1，赵亮2

回转窑内的氮氧化物（NOX）生成量占水泥厂NOX总生成量的比例相对较小，且仅产生因窑内高温而形成的热力型NOX，并可通过正确选用燃烧器得到有效控制。本文通过阐述回转窑内热力型NOX的形成过程，以中材装备集团有限公司的大推力燃烧器为例进行了机理分析。

回转窑；燃烧器；氮氧化物

回转窑内熟料的煅烧要求窑内必须保证一定的高温，这种情况必然会产生NOX。在保证熟料产质量的同时，降低窑内NOX生成量是燃烧器技术的关键，采用合理的火焰温度场分布，控制高温峰值是行之有效的方法。

1　NOX的形成机理

1.1燃料燃烧机理

燃料在燃烧过程中将产生NOX，依据其形成机理可分为三种类型：

（1）热力型NOX

通常把热力型NOX称为温度型NOX，在温度＜1 500K时，热力型NOX的形成量极少，随着温度的升高，热力型NOx的生成量将显著上升。当温度＞2 200K以后，形成的主要就是热力型NOX。

其次，热力型NOX的形成和空气过剩系数也有很大关系，随着氧气含量的增加，在高温下氧分子分解形成氧原子，引发NOX发生链式反应的几率也大大增加。增加燃烧空气的供应量通常会导致燃烧温度的降低，因此可以认为在理想的燃烧条件下，仅当空气过剩系数a接近等化学当量的条件时，热力型NOx具有最大的形成速度。由于燃烧过程中总是燃料和空气边混合边燃烧，因此在实际的扩散火焰中，最大的热力型NOx形成量总是偏移出现在a＞1的区域内。

（2）快速型NOX

快速型NOX又称为瞬时NOX，它的形成往往要求在火焰的锋面上有大量的碳氢化合物作为反应物。通常条件下，快速型NOX的形成量占总NOX形成量的比例很小，一般≯1%，因此在技术分析过程中常常忽略快速型NOx的影响。

（3）燃料型NOx

温度在1 100K以下时形成的NOX可以认为全部是燃料中的有机氮元素氧化形成的，通常对煤粉的燃烧过程来说，煤炭中的氮元素含量波动范围在0.5%～2.5%之间，当燃烧温度＞2 200K时，NOX总量中将不再有燃料型NOX的存在。

1.2燃料燃烧过程

煤粉的燃烧通常是以煤粉群的形式进行燃烧反应。其燃烧过程可以大致分为三个阶段：

（1）煤粉的升温过程。

（2）在较低的温度下挥发分释放并开始着火，依据着火的方式，可以分为挥发分稳定着火的均相着火和挥发分、半焦并行着火的非均相着火。

（3）挥发分完成燃烧后，焦炭持续燃烧直至结束。

煤粉燃烧的三个阶段生成的主要是燃料型NOX和热力型NOX，燃料型NOX主要出现在第二阶段前期，这时挥发分大量释放并迅速进行燃烧反应；以NH3和HCN形式释放的中间物质和燃烧形成的活性基团快速完成反应形成燃料型NOX或者N2。随着挥发分的燃烧以及周围高温烟气对半焦颗粒的进一步加热，焦炭开始着火，形成明显的火焰面，碳原子的剧烈燃烧导致燃烧温度迅速上升，此时在火焰锋面及下游的附近区域内，热力型NOX开始大量形成。随着碳原子离开主燃烧区域进入燃尽阶段，燃烧温度相对较低，氧气浓度也处于较低水平，这时焦炭表面一方面继续形成焦炭NOX，同时也伴随着NOX被焦炭还原分解的过程，导致NOX浓度的下降。

2　回转窑内NOX的形成机理

水泥生产线上的NOX主要是由于燃料的燃烧形成的，NOX产生量和燃料的用量成比例关系增加，通常分解炉燃料用量占60%，回转窑燃料用量占40%。分解炉中燃烧温度相对较低，主要是燃料型NOX，回转窑内主要是热力型NOX。本文仅谈回转窑内的热力型NOX。

不同种类的煤粉在回转窑内燃烧形成的NOX分布是不一样的，以中材装备集团有限公司的大推力燃烧器为例，在轴流风速为310m/s时的工况下，模拟贫煤和烟煤的NOX分布以及温度场分布情况见图1和图2。

图1　不同煤种燃烧的NOX分布情况

图2　不同煤种燃烧的温度场分布情况

由图1和图2的对比可见，通过模拟计算回转窑内的NOX分布与温度场分布，结果对应度非常高。在火焰形成过程中，煤粉的挥发分燃烧区域和固定碳燃烧区域形成了两个明显的NOX高浓度区，前者为燃料中的有机N随挥发分的析出而参与反应形成HCN、NO等中间相或终产物，后者则是随着固定碳的燃烧形成的高温区域产生大量热力型NOX。

3　燃烧器降低NOX机理分析

针对窑头燃烧器而言，回转窑内以热力型NOX为主，在满足系统正常煅烧的情况下，唯一的措施就是控制窑内高温区域峰值。

回转窑燃烧器的火焰形状与头部结构及工况设置息息相关，通过设计合理的燃烧器可以改善火焰形状，调节窑内温度分布，从而达到降低温度峰值、降低NOX排放的作用。

燃烧器的管道组成通常包括：轴流风（俗称外风）、煤风、旋流风（俗称内风）。一般而言，轴流风的风量和风速配置决定了火焰的着火和前端的扩散情况。在轴流风速一定的情况下，风量越大，则火焰形状越集中、越细，相对着火时间也会延迟；风量越小，则火焰扩散能力越强，相对着火时间也会提前。

以中材装备集团有限公司的大推力燃烧器为例，在轴流风速一定的情况下，工况1设定轴流风比例为51%，工况2设定轴流风比例为45%，两种工况的模拟结果见图3和图4。可见大轴流风量下，火焰更加集中，着火速度更快，燃烧区域更集中。如果一味降低轴流风量，则火焰绵软无力，煤粉燃烧速度过慢，煅烧不足。

图3　温度场分布情况

图4　横截面平均温度分布

为了使燃烧器保持一定的推力，同时尽量减少过剩空气量，唯一的办法就是提高风速，尤其是外风的风速。而对于不同煤种的煅烧，其对风速和风量的要求也不同。

回转窑内主要是因高温煅烧而形成的热力型NOX，因此，窑头燃烧器降低NOX的唯一办法就是降低固定碳燃烧区域热量的集中释放，无论从径向还是轴向上都达到温度的均匀分布，以实现NOX低排放的目的。

回转窑内的煤粉在保证充分燃烧的同时还要求有均匀的温度场分布，燃烧器设计必须做到针对性、个性化。不同的煤粉，其燃烧特性各不相同，煤粉的燃尽时间、着火点、放热峰值、放热强度等直接影响了其燃烧时的热力分布情况。只有做到将燃烧器的设计与煤粉的燃烧特性相匹配，才能更好地实现煅烧与NOX低排放的目的。

中材装备集团有限公司燃烧器研究所能分析不同煤粉的燃烧特性，真正做到了针对性的设计。燃烧器轴流风最高风速可达330m/s（通过可压缩流流体计算得到），将整体燃烧器推力提升至1 500～1 800%m/s。同时，更高的轴流风速能加大对二次风的卷吸力度，进一步强化着火，降低固定碳燃烧区域的热释放，使温度场分布更加均匀，从而有效地降低热力型NOX的产生。

同一组煤粉参数以大推力燃烧器（工况1）和传统燃烧器（工况2）进行模拟对比，其结果见图5、图6和图7，数据对比见表1。

图5　温度场分布情况

图6　横截面平均温度分布

图7　横截面最高温度分布

表1　最高温度分布

通过对比可以发现，大推力燃烧器着火较强，着火后火焰均匀燃烧，带动固定碳部分进一步燃烧放热，整体放热区域均匀，同时火焰较短，其中在窑轴向17m的位置完成热量释放，较好地实现了熟料的煅烧。而传统燃烧器，燃烧区域相对集中，在挥发分及固定碳燃烧区域均存在集中燃烧区域，温度峰值高，火焰偏细长，扩散不足，同时易产生高NOX量。

4　结语

综上所述，只有做到将回转窑燃烧器的设计与煤粉的燃烧特性相匹配，才能有效地降低回转窑内NOX形成量，并且尽可能地使火焰温度均匀化，控制火焰高温峰值，以达到降低热力型NOX的目的。简单而言，煅烧烟煤时要求相对高的轴流风量和中等的风速，煅烧无烟煤时则需要相对较低的风量和较高的轴流风速。中材装备集团有限公司的燃烧器针对不同煤粉做出了个性化的设计，真正达到了与煤粉燃烧特性相匹配的要求，其在火焰形状控制、NOX控制方面有较大的优势，同时较短粗的火焰更加符合目前大部分厂家追求的薄料快烧的操作理念，有利于节能降耗，提高水泥质量。■

Mechanism Analysis of NOXReduction in Kiln Burner

TQ172.625.3

A

1001-6171（2016）06-0040-03

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2016-04-12；编辑：赵星环