【前沿热点】中科院力学所魏小林研究员团队：水泥炉窑高能效低排放关键技术研发及应用进展

工业炉窑是冶金、建材、化工、石化等流程工业中的重要用能装备，也是化石能源消耗和环境污染的主要源头。为了打赢污染防治攻坚战和蓝天保卫战，亟需研发工业炉窑高能效低排放关键技术。水泥炉窑是水泥行业核心的燃煤煅烧装备，2019年我国水泥产量达到23.5亿t，年耗煤量2亿t左右。水泥炉窑属于典型的应用广泛、高能耗高污染的工业炉窑，是工业炉窑节能减排技术革新的重要领域。研发水泥炉窑节能减排的共性关键技术并开展工业示范，可以为我国工业炉窑高能效低排放技术应用提供方向、途径和技术支撑。

中国科学院力学研究所牵头的“水泥炉窑的高能效低排放关键技术研发与工业示范”项目针对水泥炉窑提炼出4项核心共性关键技术，主要集中在工业炉窑多工艺目标物质流与能量流匹配节能、富氧燃烧及燃烧优化调控、分级燃烧与SNCR优化控制技术以及微细颗粒物排放与资源化利用等方面，目标是有效提高水泥炉窑的用能效率，并显著降低NOx、颗粒物等污染物排放。

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水泥炉窑节能管控技术

基于节点计算法开展了水泥熟料生产工艺过程中物质流与能量流相匹配的节能分析。以一台3 200 t/d（实际产量达3 800 t/d）的水泥分解炉为例，模拟了该分解炉中煤粉燃烧和生料分解。

图1 分解炉模拟流程

水泥生料分解达到预期要求，总分解率为97%，模拟结果与实测结果偏差不足1.4%，其他各种组分与实际分解炉运行工况基本相符。分解炉出口烟气主要包括H2、O2、N2、CO、CO2和H2O等气体，模拟结果符合实际运行。在考虑散热时，分解炉出口模拟温度与现场温度偏差不足0.4%，表明模拟结果可靠。该模型适用于预测水泥分解炉煤粉燃烧和生料分解情况。

以3 800 t/d水泥熟料生产线为例，针对新型干法水泥生产工艺中的关键设备——篦冷机，开展了篦冷机内水泥熟料和空气的流动与换热的三维数值模拟，发现温度偏差为0.4%~13.1%，验证了模型的可靠性。该模型适用于预测篦冷机内气固流动及换热情况。

在一台5000 t/d熟料生产线上建设了3 MW汽轮机驱动窑尾高温风机节能项目，电耗下降9.32kWh/t（以熟料计），这是国内首创在熟料生产线上实现电机/汽轮机双驱动窑尾高温风机的应用案例。建成了一套与水泥企业余热电站富余蒸汽相匹配的3 MW凝汽式汽轮机驱动系统，替代电动机驱动窑尾高温风机。

图2 汽电双驱窑尾高温风机系统

水泥炉窑节能管控系统采用“集中决策层+分布控制层+设备层”的三层架构。

图3 节能管控系统三层架构

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工业炉窑富氧燃烧技术

图4 不同氧浓度下窑烧区最高温度和平均温度变化

模拟结果与现场测试结果吻合良好，证明水泥窑内煤粉富氧燃烧可以明显提高窑内火焰温度及窑内整体温度。由于火焰核心区缩短，导致烧成段长度缩短，因此需要适当降低直流风和旋流风调节火焰长度。富氧导致煤粉燃烧更加剧烈，燃尽率提高，达到节约燃料的目的。

煅烧温度影响熟料颗粒成球过程，提高烧成温度有利于提高水泥熟料质量。该结论也得到了工业示范现场的验证。采用富氧助燃后，水泥窑炉负荷（即称显熟料台时产量）明显增加，熟料品质（包括熟料3d的强度和f-CaO合格率）明显提高。

基于以上研究，完成了一套水泥炉窑富氧煅烧新技术设备的安装以及调试运行工作。发现将富氧助燃系统应用于水泥生产线，实现了稳定炉窑工况、提高熟料产量和质量等多项目标。

图5 水泥厂窑头燃烧器

开展了建材行业富氧燃烧系统的推广工作，完成了一套玻纤制氧系统及液氧后备项目的调试，实现了连续稳定运行。

图6 玻纤制氧系统吸附塔

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水泥分解炉优化脱硝技术

3.1 水泥分解炉分级燃烧中CO还原NO及CaO催化还原机制

1）CO还原NO机制

NH和H对NO还原具有重要作用，H来源于H2O，高温下H2O分解为OH和H，CO与OH反应生成CO2和H，因此烟气中H2O和CO浓度对NOx脱除具有重要影响。

图7 CO脱硝过程中N转化主要反应路径

2）CaO对CO还原NOx的催化机制

CaO催化使得COads还原NOads的反应能垒为2.06 eV，无CaO催化时CO还原NO的反应能垒为10.84 eV。CO在CaO表面氧化产生活性空位，高效催化NO还原，反应能垒降低了80.5%。CaO表面催化CO还原NO反应机制，效率提高了30%~42%。

图8CO还原NO各步反应势能

3.2 CaO对SNCR脱硝的影响机制

在高CaO气氛中，NH3吸附于CaO表面发生脱氢反应，CaO表面的NH3与吸附的O2反应产生NH2，O2可以加速NH3转化为NH2。NH2在CaO表面既可以与O2反应生成NO，又可以与NO反应生成N2，而NH2与O2反应速率比NH2与NO反应速率快。NH3易吸附在CaO表面氧化为NO，消耗大量NH3且抑制NO还原，CaO抑制NH3还原NO。

图9 高钙环境中NH3与O2和NO反应路径

3.3 工程应用

提出了水泥分解炉C5出口炉外喷氨脱硝方案以及分解炉下锥体喷氨脱硝方案。炉外喷氨脱硝方案实施后，脱硝效率提高了25%，喷氨量降低了40%，NOx排放由改造前400mg/m3降低到295 mg/m3。

图10 水泥分解炉预分解器C5出口喷氨脱硝

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水泥炉窑颗粒物减排技术

针对扰流元件前后微细颗粒发生的团聚过程进行了数值模拟研究。发现4.8 m/s进口流速下湍流团聚的最佳团聚效率约为16.42%。

图11 对比给定工况下团聚效率的试验和模拟结果

研发了湿式相变凝聚装置并进行中试研究。湿式静电除尘器结合湿式相变凝聚系统后，对高湿燃煤烟气环境下PM1及PM2.5脱除效率可达83.6%~95.3%以及87.7%~95.0%，且具有Hg、Mn和As等痕量金属元素的多污染物脱除效果。

图12 湿式除尘系统

采用电压10~30 kV和频率10~15 kHZ的介质阻挡放电方式对超声波喷雾进行荷电团聚微细颗粒物的试验研究。水雾荷质比在mC/kg量级，同时在1m/s进口流速条件下，荷电喷雾对亚微米颗粒的团聚效率约为39%。

基于多场耦合凝聚微细颗粒物的思路，提出超声波雾化预荷电湍流凝聚技术，该技术通过湿式相变凝聚、雾化荷电凝聚以及湍流凝聚，结合传统除尘设备实现燃煤工业炉窑烟气微细颗粒物的高效团聚与脱除。同时，提出系列凝聚效率高、简单可行且具有推广价值的颗粒物减排技术，主要包括超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物系统及方法、颗粒浓淡电湍凝聚装置、低温等离子体荷电超声波雾化液滴的颗粒凝聚装置等。

基于上述颗粒物减排技术的积累，将研发的超声波雾化预荷电湍流凝聚装置在某水泥炉窑上进行应用，并完成了示范装置的现场安装。该装置由超声波雾化荷电电极以及湍流团聚扰流元件2部分组成，并创新性地将低温等离子体应用于雾化液滴荷电，通过雾化荷电电极与超声波喷雾流道的巧妙设计，有效解决沿面闪络、电极固定、绝缘保护以及积液引流等问题。

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结语与展望

本文综述了节能管控与余热利用、富氧煅烧、分级燃烧以及颗粒物分离与资源化利用等工业炉窑节能减排共性关键技术的研发及其在大型水泥炉窑上的集成应用，主要结果包括：建立了一种工业炉窑物质流与能量流匹配的数学模型，获得了典型工业炉窑不同部位的能量收支情况，安装了工业炉窑节能管控平台；研究了富氧燃烧对窑内温度、水泥煅烧成球以及熟料质量的影响，制氧量可达1 100 Nm3/h（氧气浓度80%），制氧设备单位电耗为0.38 kWh/Nm3（按纯氧计），富氧燃烧氧浓度达到30%~35%；开展了0.6 t/d水泥分解炉分级燃烧和CaCO3分解试验研究，实施了水泥分解炉C5出口以及下锥体喷氨脱硝方案的现场改造，脱硝效率提高了25%，喷氨量降低了40%，NOx排放降低到295mg/m3；建立了亚微米颗粒湍流凝聚以及雾化荷电电极实验平台，确定了示范工程的扰流元件参数及流动参数，改造后窑头颗粒物排放浓度≤15 mg/m3，烟道内增加阻力≤100 Pa。
未来应探索适用于工业炉窑节能管控的人工智能系统，如炉窑电力需求侧管理系统等；研究水泥炉窑O2/CO2煅烧等变革性技术，大幅提高炉窑产量，实现CO2近零排放；研发先进的分级燃烧、SNCR以及颗粒物分离与资源化利用等污染物减排技术；开发工业炉窑余热余能利用升级换代技术；加强关键技术和装备在工业炉窑的推广。

该研究成果以《水泥炉窑高能效低排放关键技术研发及应用进展》为题在《洁净煤技术》进行了网络首发。

引用格式

姚远，魏小林，陈立新，等. 水泥炉窑的高能效低排放关键技术研发及应用进展[J/OL].洁净煤技术:1-12[2020-09-25].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3676.TD.20200918.0917.002.html.

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