新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法专利背景

一、水泥熟料生产线脱硝技术背景：截至2012年10月，中国拥有水泥企业近5000家，产量已连续多年位居世界首位。2011年中国累计水泥总产量20.9亿吨，其中，新型干法水泥比重达到80.9%。截止2011年年底，采用中国技术和装备建设的新型干法水泥生产线已经达到1500多条。氮氧化物的减排问题已经成为制约中国环境及经济发展的重大问题。随着中国将氮氧化物的削减正式提上日程，相关部门相继出台了一系列水泥生产NOx排放控制的政策与污染物排放标准。2010年中国水泥行业排放NOx约200万吨，约占工业源排放总量的10%左右，仅次于电力和机动车尾气排放，位居第三位，因此水泥行业氮氧化物的减排工作在中国氮氧化物总量控制中占有非常重要的地位。

二、水泥熟料生产线NOx的产生机理及部位：水泥新型干法窑系统NOx生产途径主要有热力型、燃料型以及快速型NOx等三种，其产生的原理、部位及产生量情况分析如下：1、“热力型”NOx：空气中的N₂在高温下氧化而产生的NOx，生成量主要取决于温度，低于1350℃几乎不会产生，高于1500℃大量生成，因为回转窑中烧成带火焰温度高达1800℃，空气中的N₂和O₂快速反应，热力型NOx大量生成。2、“燃料型”NOx：水泥生产燃料主要为煤，燃料在燃烧中产生“燃料型”NOx。3、“快速型”NOx：在燃烧时空气的N和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生产的NOx，水泥生产中这种NOx是微不足道的。下面结合本说明书附图中图1对2012年10月以前的技术进行分析。如图1所示，水泥熟料生产线包括旋风筒1、分解炉2、燃烧器3、窑尾上升烟道4、窑尾烟室5回转窑6、三次风管14、冷却机17。排出废气中，NOx排放浓度为400～900ppm（500～1100毫克/标准立方米）；分解炉2内，温度为800～1200℃，主要产生燃料型NOx；窑尾烟室5内，NOx的浓度为800～1500ppm（1000～1900毫克/标准立方米）； 回转窑6内，温度高达1600℃以上，主要产生热力型和燃料型NOx； 冷却机17排出热抽风（即煤磨干燥风）和余风。

三、NOx治理的基本方法：由于燃烧是NOx产生的主要原因，所以，要根据燃烧过程的特点来制定其治理的基本方法。概括地说，NOx的治理方法可分燃烧前的处理、燃烧方式的改进及燃烧后的处理三种方法。1、燃烧前处理：燃烧前处理主要是进行燃料的脱氮；2、燃烧方式的改进比较实用的是采用低氮氧化物燃烧器、分级燃烧等低氮燃烧技术；3、燃烧后的处理主要指烟气脱硝技术主要包括选择性非催化还原技术（SNCR）和选择性催化还原技术（SCR）等。根据水泥工艺的特点和优势，采取低氮燃烧技术，从水泥烧成系统工艺特点入手，在源头控制NOx的产生量，达到NOx减排的目的，是2012年10月以前的比较切合实际，比较经济有效、节能环保的技术措施，具有较高的可行性和重大的研究及推广实施价值。

四、分级燃烧脱氮技术：1、分级燃烧技术原理：分级燃烧脱氮的基本原理是在烟室和分解炉之间建立还原燃烧区，将原分解炉用煤的一部分均布到该区域内，使其缺氧燃烧以便产生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NOx还原成N₂等无污染的惰性气体。此外，煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型NOx产生，从而实现水泥生产过程中的NOx减排。其主要反应如下：2CO 2NO→N₂ 2CO₂2H₂ 2NO→N₂ 2H₂O₂NHi 2NO→N₂ …分级燃烧技术主要有空气分级燃烧和燃料分级两种类型，该发明主要研究并采用的是燃料分级燃烧技术。2、2012年10月以前的技术中的分级燃烧技术存在的问题：根据中国已投产的日产10000吨线上分级燃烧技术的应用经验，以及中国实施分级燃烧技术改造的生产线运行状况了解，我们总结以往分级燃烧技术存在有以下问题和不足：（1）还原区结皮现象严重，影响系统的正常稳定运行，很难维护生产，造成实际生产中不能应用该技术或拆除该技术设施；（2）对原、燃料品质要求严格，特别是挥发分较低的无烟煤效果较差；（3）对工艺操作要求苛刻，需要控制窑尾O₂的含量在2%以下，实际操作中难以做到；（4）需要增加单独的喂煤计量系统和较大的喂煤动力；（5）脱硝效率不稳定，难以达到30%；（6）脱硝改造工作量大，时间长，投资大，运行成本提高。

新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法专利目的

《新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法》提供一种新型干法水泥窑熟料生产线，其目的是提高脱硝效果和系统的运行质量。

新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法技术方案

《新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法》所提供的新型干法水泥窑熟料生产线，包括旋风筒、分解炉、燃烧器、三次风管、窑尾上升烟道、窑尾烟室及回转窑；通往窑尾的煤粉管道通过第一煤粉分配器将煤粉分为两路，其中，一路通往所述的分解炉上部的柱体，另一路通往所述的分解炉下部的锥体；通往所述的分解炉上部的柱体的煤粉管道，通过第二煤粉分配器再将煤粉分为两路，对称地进入所述的分解炉上部的柱体内；通往所述的分解炉下部的锥体的煤粉管道，通过第二煤粉分配器再将煤粉分为两路，对称地进入所述的分解炉下部的锥体内。所述的分解炉共设有四个燃烧器，包括两个上部燃烧器和两个下部燃烧器； 所述的上部燃烧器与水平面成20°～50°的夹角进入分解炉，并且两个上部燃烧器在所述的分解炉的水平横截面上对称布置；所述的下部燃烧器水平切向进入分解炉，并且两个下部燃烧器在所述的分解炉的水平横截面上对称布置。所述的上部燃烧器和下部燃烧器之间的垂直距离为3～6米。

所述的窑尾上升烟道的水平截面形状为方形，窑尾上升烟道的高度为1200～3000毫米。所述的方形的边长尺寸为2000毫米。所述的旋风筒中的C4旋风筒的下料口设置在所述的分解炉的下部。所述的三次风管的入口处的形状为方形，其尺寸为2380×3080毫米。在所述的在窑尾上升烟道与分解炉的锥部连接处设置扬料凸台。所述的扬料凸台与分解炉锥体连接处内部为R200～R500毫米的凹弧面。为了实现与上述技术方案相同的发明目的，该发明还提供了上述新型干法水泥窑熟料生产线所采用的脱硝工艺方法，其技术方案是：进入所述的分解炉上部的柱体的煤粉量占窑尾总煤粉量的35～45%；再通过第二煤粉分配器将进入分解炉上部的柱体的煤粉分为两路，其煤粉量各占50%，对称进入分解炉；进入所述的分解炉下部的锥体的煤粉量占窑尾总煤粉量的55～65%；再通过第二煤粉分配器将进入分解炉下部的锥体的煤粉分为两路其煤粉量各占50%，对称进入分解炉。 所述的三次风管入口处的风速为18～22米/秒。

新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法改善效果

《新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法》采用上述技术方案，降低并还原窑内产生的热力型NOx，抑制燃料型NOx的生成，可从源头上有效降低NOx的产生；无二次污染，没有污染物或副产物生成；对生产线正常生产运行和水泥熟料产量和质量无不利影响；无需消耗氨水或尿素等物资，不增加生产运行成本；工艺改造后，使运行参数得以优化，系统运行质量和稳定性提升，并有一定的节能效果。

图1为《新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法》背景技术部分所述的水泥熟料线及其NOx的产生部位、产生量的示意图；

图2为该发明的分解炉分级燃烧系统的原理图；

图3为该发明的分级燃烧系统的外观示意图；

图4为图3中的A—A剖面示意图；

图5为图4中的K—K剖面示意图；

图6为该发明的分级燃烧系统的工艺流程图；

图7为该发明中分解炉燃烧器的结构示意图；

图8为该发明中煤粉分配器的结构示意图。

图中标记为：1、旋风筒，2、分解炉，3、燃烧器，4、窑尾上升烟道，5、窑尾烟室，6、回转窑，7、第一煤粉分配器，8、第二煤粉分配器，9、分配器入口，10、煤粉分料调节阀，11、分配器出口，12、上部燃烧器，13、下部燃烧器，14、三次风管，15、扬料凸台，16、煤粉管道，17、冷却机，18、PH锅炉，19、闸阀，20、压力表，21、第二煤粉分配器。

《新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法》属于水泥生产的技术领域，涉及新型干法水泥窑的生产技术，更具体地说，该发明涉及一种新型干法水泥窑熟料生产线，另外，该发明还涉及该生产线的脱硝工艺方法。

1.《新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法》包括旋风筒（1）、分解炉（2）、燃烧器（3）、三次风管（14）、窑尾上升烟道（4）、窑尾烟室（5）及回转窑（6），其特征在于：通往窑尾的煤粉管道通过第一煤粉分配器（7）将煤粉分为两路，其中，一路通往所述的分解炉（2）上部的柱体，另一路通往所述的分解炉（2）下部的锥体；通往所述的分解炉（2）上部的柱体的煤粉管道，通过第二煤粉分配器（21）再将煤粉分为两路，对称地进入所述的分解炉（2）上部的柱体内；通往所述的分解炉（2）下部的锥体的煤粉管道，通过第二煤粉分配器（8）再将煤粉分为两路，对称地进入所述的分解炉（2）下部的锥体内；所述的分解炉（2）共设有四个燃烧器，包括两个上部燃烧器（12）和两个下部燃烧器（13）；所述的上部燃烧器（12）与水平面成20°～50°的夹角进入分解炉（2），并且两个上部燃烧器（12）在所述的分解炉（2）的水平横截面上对称布置；所述的下部燃烧器（13）水平切向进入分解炉（2），并且两个下部燃烧器（13）在所述的分解炉（2）的水平横截面上对称布置；所述的窑尾上升烟道（4）的水平截面形状为方形，窑尾上升烟道（4）的高度为1200～3000毫米。

2.按照权利要求1所述的干法水泥窑熟料生产线，其特征在于：所述的上部燃烧器（12）和下部燃烧器（13）之间的垂直距离为3～6米。

3.按照权利要求1所述的干法水泥窑熟料生产线，其特征在于：所述的旋风筒（1）中的C4旋风筒的下料口设置在所述的分解炉（2）的下部。

4.按照权利要求1所述的干法水泥窑熟料生产线，其特征在于：所述的三次风管（14）的入口处的形状为方形。

5.按照权利要求1所述的干法水泥窑熟料生产线，其特征在于：在所述的在窑尾上升烟道（4）与分解炉（2）的锥部连接处设置扬料凸台（15）。

6.按照权利要求5所述的干法水泥窑熟料生产线，其特征在于：所述的扬料凸台（15）与分解炉（2）锥体内部连接处为R200～R500毫米的凹弧面。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的干法水泥窑熟料生产线的脱硝工艺方法，其特征在于：进入所述的分解炉（2）上部的柱体的煤粉量占窑尾总煤粉量的35～45%；再通过第二煤粉分配器（21）将进入分解炉（2）上部的柱体的煤粉分为两路，其煤粉量各占50%，对称进入分解炉（2）；进入所述的分解炉（2）下部的锥体的煤粉量占窑尾总煤粉量的55～65%；再通过第二煤粉分配器（8）将进入分解炉（2）下部的锥体的煤粉分为两路，其煤粉量各占50%，对称进入分解炉（2）。

8.按照权利要求7所述的干法水泥窑熟料生产线，其特征在于：所述的三次风管（14）入口处的风速为18～22米/秒。

如图1所表达的该发明的结构，为新型干法水泥窑熟料生产线及其脱硝工艺方法，包括旋风筒1、分解炉2、燃烧器3、三次风管14、窑尾上升烟道4、窑尾烟室5及回转窑6。该发明是与2012年10月以前的技术的分级燃烧完全不同的NOx减排技术。如图6所示，所述的风筒1从上至下，包括两列：C1A、C2A、C3A、C4A、C5A；C1B、C2B、C3B、C4B、C5B。图6中还表示：新型干法水泥窑熟料生产线还设有PH锅炉18，即窑尾余热锅炉，用于窑尾余热发电。该发明响应中国环保减排政策，对低氮燃烧技术的开发与应用进行深入研究，对分解炉实施分级燃烧技术改造，改造后NOx减排效果明显。该发明通过对分解炉内煤粉的燃烧形式、内部温度场、气流运动状况等的研究，结合烧成系统的工艺特点和分级燃烧技术的实施运行难点，通过对低氮燃烧技术与烟气脱硝技术的研究和比较，并与水泥熟料生产线的工艺特点相结合，取得理想的效果。

为了解决2012年10月以前的技术存在的问题并克服其缺陷，实现提高脱硝效果和系统的运行质量的发明目的，该发明采取的技术方案为：如图6所示，该发明所提供的新型干法水泥窑熟料生产线，通往窑尾的煤粉管道通过第一煤粉分配器7将煤粉分为两路，其中，一路通往所述的分解炉2上部的柱体，另一路通往所述的分解炉2下部的锥体；通往所述的分解炉2上部的柱体的煤粉管道，通过第二煤粉分配器21再将煤粉分为两路，对称地进入所述的分解炉2上部的柱体内；通往所述的分解炉2下部的锥体的煤粉管道，通过第二煤粉分配器8再将煤粉分为两路，对称地进入所述的分解炉2下部的锥体内。所述的分解炉2共设有四个燃烧器，包括两个上部燃烧器12和两个下部燃烧器13；所述的上部燃烧器12与水平面成20°～50°的夹角进入分解炉2，并且两个上部燃烧器12在所述的分解炉2的水平横截面上对称布置；例如，上部燃烧器12与水平面成30°的夹角进入分解炉2；所述的下部燃烧器13水平切向进入分解炉2，并且两个下部燃烧器13在所述的分解炉2的水平横截面上对称布置。也就是说，每个煤粉管道进入分解炉2的位置，均设有一个燃烧器。所述的上部燃烧器12和下部燃烧器13之间的垂直距离为3～6米。例如一般采用4米。分解炉2共设有四个燃烧器，上部两个燃烧器，即上部燃烧器12，与水平成30°的夹角进入分解炉2，且对称布置；下部两个燃烧器，即下部燃烧器13，水平切向进入分解炉2，基本对称布置，上、下部燃烧器直接的垂直距离约4米左右。上部燃烧器12和下部燃烧器13的结构如图7所示。

该发明中采用分解炉还原区的技术方案：分解炉还原区的创建至关重要。该发明通过对分解炉燃烧器3位置的重新设计，将窑尾煤粉分为四个点，上下两层进入分解炉2，确定进入分解炉2的煤粉的速度、位置、角度、切入角等，直接影响煤粉在分解炉2内的燃烧形式和还原区的形成质量。还原区主要是通过下层两个燃烧器（即下部燃烧器13）喷入的煤粉，在缺氧条件下燃烧产生的，从而起到对窑内产生的NOx进行还原脱硝的作用。在分解炉2的锥部形成不产生结皮的脱氮还原区，主要采用对还原区域空间进行整形，合理布置煤粉燃烧器（位置与角度）和C4下料点的位置，避免产生局部高温和结皮。在分解炉锥部设计脱氮还原区，增加了燃烧空间。在保证煤粉充分燃烧的同时，适当增加分解炉锥部的煤粉喂入比例，保证缺氧燃烧产生的还原气氛，在分解炉锥部形成还原区，还原窑尾烟气中大量的NOx，产生良好的脱硝效率；相应地，煤粉的输送与分配方案：对窑尾的煤粉输送系统进行重新设计，至窑尾的煤粉管道通过第一个煤粉分配器将煤粉分为两路，一路进入分解炉2的柱体（上部），一路进入分解炉的锥体（下部）；由于分解炉燃烧器有四个，且上部两个燃烧器和下部两个燃烧器的喂煤量设计不同，因此，对煤粉管道的管径和风速进行了特殊设计，通过煤粉管道的设计来满足燃烧器喷煤量的要求（上部35～45%，下部55～65%），再通过煤粉分配器的适当调节，实现最佳运行效果。

其技术方案是：如图8所示，在第一煤粉分配器7、第二煤粉分配器8和第二煤粉分配器21中设置煤粉分料调节阀10，所述的煤粉分料调节阀10设置在分配器入口9与分配器出口11之间，用于进行煤粉输送量的分配调节；如图6所示，在煤粉管道16上设置闸阀19，用于进行煤粉输送量的分配调节；在煤粉管道16还设置压力表20，用于监测煤粉管道16的输送压力。窑尾烟气的整流技术方案：开发稳定生产的、较高效率的分解炉燃料分级燃烧技术，它的稳定与否、是否产生结皮等现象直接影响预分解窑系统的稳定，该发明主要通过对窑尾烟室上升烟道及扬料凸台的改造来对窑尾烟气进行整流，从而来保持系统稳定。窑尾烟室及上升烟道的改造的技术方案：如图2和图4所示，所述的窑尾上升烟道4的水平截面形状为方形，窑尾上升烟道4的高度为1200～3000毫米。对水泥窑窑尾上升烟道4的气流进行整流，以使上升气流的流场更加顺畅；即对窑尾烟室5入分解炉2的烟气进行整流，将上升烟道形状改造成方形；同时，将上升烟道的直段延长，使窑内烟气入炉流场稳定，并降低入炉风速。所述的方形的边长尺寸为1200～3000毫米左右。C4旋风筒下料点位置的调整技术方案：如图2所示，所述的旋风筒1中的C4旋风筒的下料口设置在所述的分解炉2的下部。根据原烧成系统C4旋风筒下料点的位置及运行情况，结合改造后分解炉2的锥部的截面热负荷计算数据，调整C4旋风筒下料点的位置，一般将C4旋风筒下料下移至分解炉柱体下部和锥部上方位置，使生料沿分解炉2的锥部内部下滑，生料在锥部吸热，避免分解炉2锥部高温结皮现象的发生。分解炉锥部扬料凸台的技术方案：如图2和图3所示，在所述的在窑尾上升烟道4与分解炉2的锥部连接处设置扬料凸台15。在窑尾上升烟道4与分解炉2锥部交界处设置扬料凸台15，可以更好地分散下落的生料并扬起，防止生料塌料直接入回转窑6，避免塌料现象发生，同时易于生料与气流的混合，避免产生局部高温区；所述的扬料凸台15的结构是：所述的扬料凸台15与分解炉2锥体连接处内部为R200～R500毫米的凹弧面。例如，采用R300毫米的凹弧面。

为了实现与上述技术方案相同的发明目的，该发明还提供了上述新型干法水泥窑熟料生产线所采用的脱硝工艺方法，其技术方案是：进入所述的分解炉2上部的柱体的煤粉量占窑尾总煤粉量的35～45%（例如，可以取40%）；再通过第二煤粉分配器21将进入分解炉2上部的柱体的煤粉分为两路，其煤粉量各占50%，对称进入分解炉2；进入所述的分解炉2下部的锥体的煤粉量占窑尾总煤粉量的55～65%（例如，可以取60%；再通过第二煤粉分配器8将进入分解炉2下部的锥体的煤粉分为两路其煤粉量各占50%，对称进入分解炉2。进入分解炉柱体（上部）的煤粉量约占窑尾总煤粉量的40%左右，同时，又通过第二个煤粉分配器将进入分解炉柱体（上部）的煤粉分为两路（各占50%）对称进入分解炉柱体（上部）。同样，进入分解炉锥体（下部）的煤粉量约占窑尾总煤粉量的60%左右，同时，又通过第二个煤粉分配器将进入分解炉锥体（下部）的煤粉分为两路（各占50%）对称进入分解炉柱体（下部）。三次风管入口的调整技术方案：所述的三次风管14入口处的风速为18～22米/秒。根据原系统三次风入炉速度和流场分布的需要，调整三次风入口面积大小和入炉风速；分级燃烧改造后，一般会降低窑内通风量，三次风量相对增加，为了保证三次风入口风速在18～22米/秒左右，需要对三次风入口尺寸进行重新设计如图5所示，所述的三次风管14的入口的形状为方形，其尺寸为2380×3080米（米图5中的宽×高）。该发明针对2012年10月以前的技术的现状，充分利用水泥烧成系统的工艺特点，对喂入分解炉燃料的喷入位置和燃烧形式进行重新设计，保证燃料在分解炉锥部缺氧燃烧产生还原气氛，还原窑内产生的热力型NOx，达到30%左右的脱硝目的。同时，为了避免塌料、高温结皮等不利现象的产生，对窑尾烟室及上升烟道、C4下料点、三次风进风口等进行改造优化，解决以往分级燃烧技术应用中存在的问题，保证本系统达到较好的脱硝效果和运行效果。 该发明的技术特点是：在操作上，适当降低窑内通风和喂煤量，增加三次风量和分解炉喂煤量，尽量降低窑内过剩空气系数，减少NOx的生成量；降低高温风机转速，尽量减少系统用风，在保证脱硝效率的同时可降低熟料烧成热耗，同时系统阻力有所降低；创建了全新的窑尾燃烧器分级燃烧布置形式，在分解炉内部有效构建了脱硝还原区，具有显著的脱硝效果；通过对窑尾燃烧器喂煤量的设计分配，以及C4下料点的调整优化，合理控制分解炉断面热负荷，避免了还原区结皮堵塞现象的发生；对窑尾进入分解炉的烟气进行了整流，设置了分解炉下口扬料凸台，增强了烟气与物料和煤粉的混合性，避免了塌料现象的产生，并稳定了窑内通风；通过窑尾燃烧器的重新布置设计，增加了煤粉的燃烧空间，在建立脱硝还原区的同时，保证了煤粉的完全燃烧，增强了对燃料的适应性；将分级燃烧与操作优化相结合，大大提升了脱硝效果和系统的运行质量。

对分级燃烧技术的改造具有以下技术优势：

1、工艺操作相结合，降低并还原窑内产生的热力型NOx，抑制燃料型NOx的生成，可从源头有效降低NOx的产生；

2、无二次污染，没有污染物或副产物生成；

3、对生产线正常生产运行和水泥熟料产、质量无不利影响；

4、无需消耗氨水或尿素等物资，不增加生产运行成本；

5、工艺改造后，使运行参数得以优化，系统运行质量和稳定性提升，并有一定的节能效果。

该发明的技术方案实施后，最终使得预热器出口NOx浓度降低到350～500ppm，综合脱硝效率在30%左右，同时，系统不产生结皮等问题，能够稳定投入运行。

2020年7月7日，该发明获得安徽省第七届专利奖优秀奖。 2100433B

《水泥窑烟气脱硝技术》主要针对水泥窑NOx控制和减排技术进行系统论述，从水泥窑内NOx产生的机理、基本性质入手，结合水泥窑自身的特点，对可能的NOx控制和减排技术进行全面分析，并提出最可行的处理方案。《水泥窑烟气脱硝技术》分析了各种脱硝技术的优缺点，详细介绍分级燃烧、空气分级技术、低氮型燃烧器、SNCR、SCR及其他烟气脱硝技术等，给现有生产线的脱硝改造提供可以实用的脱硝技术。

《大型水泥窑烟气治理工艺及其装置》涉及烟气净化技术，特别是一种大型水泥窑烟气治理技术，大型水泥窑烟气治理技术分为大型水泥窑窑头烟气治理技术和大型水泥窑窑尾烟气治理技术，该发明是主要针对日产4000吨以上的大型水泥窑窑尾烟气治理的工艺及其装置。