一种水泥生产线低氮分解炉
技术领域
本实用新型属于水泥熟料生产线降低NOx排放的脱硝技术领域，具体地，涉及一种水泥生产线低氮分解炉。
背景技术
水泥是国民经济的重要支柱产业，中国水泥工业由于经济发展的需要，近二十年总产量呈现出快速增长态势，截至2018年底，全国新型干法水泥生产线累计1681条，实际熟料产能超过20亿吨。城市化进程与经济的快速发展离不开水泥工业的贡献，但同时也带来了不可忽视的环境问题，水泥行业因其产量巨大而成为能耗和大气污染的重点控制对象。
水泥工业主要大气污染物包括NOx、颗粒物、SO2等，其中氮氧化物(NOx)是大气污染源之一，对人体造成伤害，可以形成酸雨、光化学烟雾、造成臭氧层损耗、二次转化形成颗粒物，严重影响国家经济发展和人民的正常生活，为此国家和地方政府颁布了一系列的法律法规，以限制NOx的排放。
GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》规定，一般地区NOx排放浓度控制在≤400mg/Nm3，重点地区NOx控制≤320mg/Nm3，而且地方政府环保部门也颁布了地方条例和法规，严格控制污染物排放，例如，江苏、山东、河南、浙江等地区将实施100mg/Nm3控制指标要求，为了控制污染，山东、河北、陕西、山西、安徽、江苏、浙江等地区实施错峰生产。
NOX的形成机理
水泥熟料煅烧在高温下进行，NOX生产途径主要有热力型，燃料型以及快速型NOx等三种：
(1)“热力型”NOX，为空气的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℃几乎不生产，高于1500℃大量生产，因为回转窑中烧成带火焰温度高达1500℃以上，空气中的N2和O2快速反应，热力型NOx大量产生。
其生成量与燃烧温度、氧气浓度、高温区停留时间等有关。
(2)“燃料型”NOx，是燃料中的氮的化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成。挥发分中N和NH3的氧化途径见下式。
(3)“快速型”NOx，是空气中的N2与燃料中的碳氢离子团(CH、CH2等)在反应区附近快速生成的NOx，其生成量较少，一般占总NOx的5％以下。快速型NOx的形成途径见下式。
由于燃烧是NOx产生的主要原因，因此其治理基本方法主要是根据燃烧过程特点来制定，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。燃烧前处理主要是进行燃料的脱氮；燃烧方式的改进目前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；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。
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+2CO2
2H2+2NO→N2+2H2O
2NHi+2NO→N2+…
根据水泥工艺的特点和优势，采取低氮分解炉燃烧脱硝技术，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，是目前比较切合实际，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。
实用新型内容
本实用新型基于上述的技术现状，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，达到提高脱硝效果的目的。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。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种水泥生产线低氮分解炉，所述分解炉的上部的柱体对称地设置有两个上部喷煤口，分解炉下部的锥体对称地设置有四个下部喷煤口；所述分解炉共设有六个燃烧器，包括：两个上部燃烧器，两个上部燃烧器与水平面成25-35°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；四个下部燃烧器，所述下部燃烧器水平切向进入分解炉，并且四个下部燃烧器在所述的分解炉的水平横截面上接近对称布置。
优选地，分解炉下方的窑尾上升烟道的水平截面形状为方形，且高度为1500-2500mm。
优选地，分解炉锥部与窑尾上升烟道交界处设置有R280-330mm的弧面扬料凸台。
优选地，分解炉锥部还对称地设置有两个C4旋风筒的撒料盒。
优选地，撒料盒的侧部截面呈锥形，且撒料盒底面与水平面呈20-35度的夹角，撒料盒下料角度与水平面呈55-60度夹角。
优选地，撒料盒的中心线与下方的侧壁的交点至分解炉的锥部入口的距离为200-1100mm。
优选地，分解炉锥部的下部燃烧器至三次风管入口处的有效体积100-180m3。
本实用新型还提供一种水泥生产线低氮脱硝技术方法，包括：将通往窑尾的煤粉通过第一煤粉分配器将煤粉分为两路，其中，一路通往分解炉上部的柱体，另一路通往分解炉下部的锥体；通往分解炉上部的柱体的煤粉通过第二煤粉分配器再将煤粉分为两路，对称地进入分解炉上部的柱体内；通往分解炉下部的锥体的煤粉通过第三煤粉分配器再将煤粉分为两路，之后再通过分煤阀分成四路，对称进入分解炉下部的锥体，其中，所述分解炉为前文所述的分解炉。
优选地，进入分解炉柱体的煤粉量占窑尾总煤粉量的0％-20％，且进入分解炉上部的柱体内的两路煤粉量相等。
优选地，进入分解炉下部的锥体的煤粉量占窑尾总煤粉量的80％-100％，且进入分解炉下部的锥体的四路煤粉量相等。
在上述技术方案中，在分解炉锥部设计脱氮还原区，将分解炉煤粉分4点、上下2层喂入，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；分解炉共设有六个燃烧器，两个上部燃烧器，四个下部燃烧器，在分解炉锥部形成还原区，还原窑尾烟气中大量的NOx，产生良好的脱硝效果。本技术方案实施后，最终使得预热器出口NOx浓度降低到550mg/Nm3以下，综合脱硝效率在50％以上。
本技术是结合水泥工业新型干法窑系统的工艺特点，通过对分解炉分级燃烧技术改造来达到降低NOx排放的目的。通过对低氮燃烧技术与烟气脱硝技术的研究和比较，我们认为，与水泥熟料生产线的工艺特点相结合，优先采用分级燃烧技术改造具有以下技术优势：
①与工艺操作相结合，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。
通过对凤凰建材4500t/d生产线分级燃烧技术改造和运行调试，发现本实用新型的脱硝效果达到了设计目标值，主要实施效果如下：
分级燃烧技术改造脱硝效果明显，NOx减排效率平均在60％以上(特别是对分解炉炉容较大的生产线脱硝效率更加明显)，且改造后不影响水泥熟料的产、质量；
有效解决和避免了脱硝还原区、窑尾烟室、分解炉等部位的结皮现象，保证了脱硝系统及熟料生产系统的正常、稳定运行；
窑尾烟室上升烟道以及分解炉下锥体的耐火材料改造效果较好，不易产生塌料现象，窑内通风更易于稳定，窑尾负压降低，且波动幅度缩小，窑况较改造前更稳定。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1为本实用新型一种具体的实施方式中的分解炉剖面图；
图2为分级燃烧技术改造分解炉燃烧器平面布置图；
图3为分级燃烧技术改造工艺流程图；
图4为C4旋风筒下部撒料盒基本构造图。
附图标记说明
1柱体 2锥体
3上部燃烧器 4下部燃烧器
5窑尾上升烟道 6扬料凸台
7C4旋风筒下部撒料盒 8三次风管
9C4旋风筒上部撒料盒 10第一煤粉分配器
11第二煤粉分配器12第三煤粉分配器
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，“上、下、侧、底”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
如图1-图4所示，本实用新型提供一种水泥生产线低氮分解炉，所述分解炉的上部的柱体1对称地设置有两个上部喷煤口，分解炉下部的锥体2对称地设置有四个下部喷煤口；所述分解炉共设有六个燃烧器，包括：两个上部燃烧器3，两个上部燃烧器3与水平面成25-35°的夹角进入分解炉，并且两个上部燃烧器3在所述的分解炉的水平横截面上对称布置；四个下部燃烧器4，所述下部燃烧器4水平切向进入分解炉，并且四个下部燃烧器4在所述的分解炉的水平横截面上接近对称布置。这样，在分解炉锥部设计脱氮还原区，将分解炉煤粉分4点、上下2层喂入，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；分解炉共设有六个燃烧器，两个上部燃烧器3，四个下部燃烧器4，在分解炉锥部形成还原区，还原窑尾烟气中大量的NOx，产生良好的脱硝效果。本技术方案实施后，最终使得预热器出口NOx浓度降低到550mg/Nm3以下，综合脱硝效率在50％以上。
在本实用新型一种优选的实施方式中，分解炉下方的窑尾上升烟道5的水平截面形状为方形，且高度为1500-2500mm。对窑尾烟室入分解炉的烟气进行整流，将上升烟道5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。
在本实用新型一种优选的实施方式中，分解炉锥部与窑尾上升烟道5交界处设置有R280-330mm的弧面扬料凸台6。在上升烟道与分解炉锥部连接处设计弧面扬料台，防止塌料现象发生，同时易于生料与气流的混合。
在本实用新型一种优选的实施方式中，分解炉锥部还对称地设置有两个C4旋风筒的下部撒料盒7。根据原烧成系统C4旋风筒下料点的位置情况，结合改造后分解炉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旋风筒下料下移至锥部，生料在锥部吸热，避免分解炉锥部高温结皮现象的发生，一般C4分料量在30％-60％，C4旋风筒下部撒料盒7内部使用浇注料砌筑20°-35°撒料平面。在本实用新型一种优选的实施方式中，C4旋风筒下部撒料盒7的侧部截面呈锥形，且C4旋风筒下部撒料盒7底面与水平面呈20-35度的夹角，C4旋风筒下部撒料盒7的下料角度与水平面呈55-60度夹角。使生料沿分解炉锥部2的内部下滑，避免分解炉锥部2高温结皮现象。
在本实用新型一种优选的实施方式中，C4旋风筒下部撒料盒7的中心线与下方的侧壁的交点至分解炉的锥部入口的距离为200-1100mm。进一步避免分解炉锥部2高温结皮现象。
在本实用新型一种优选的实施方式中，分解炉锥部的下部燃烧器4至三次风管8入口处的有效体积100-180m3。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；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。分级燃烧改造后，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18-22m/s左右，需要对三次风入口尺寸进行重新设计，另外，为了保证锥部充足的还原空间，三次风位置会适当的调整。
本实用新型还提供一种水泥生产线低氮脱硝技术方法，包括：将通往窑尾的煤粉通过第一煤粉分配器10将煤粉分为两路，其中，一路通往分解炉上部的柱体1，另一路通往分解炉下部的锥体2；通往分解炉上部的柱体1的煤粉通过第二煤粉分配器11再将煤粉分为两路，对称地进入分解炉上部的柱体1内；通往分解炉下部的锥体2的煤粉通过第三煤粉分配器12再将煤粉分为两路，之后再通过分煤阀分成四路，对称进入分解炉下部的锥体2，其中，所述分解炉为前文所述的分解炉。其中，煤粉的走向见图3。
熟料生产过程：按照一定比例配制的物料由预热器顶部喂入，经多级旋风筒预热后进入分解炉，在其中分解后入回转窑进行煅烧，之后进入篦式冷却机冷却，最后得到我们所需要的熟料。具体的脱硝工艺系统如图3所示，包括分解炉、燃烧器，回转窑和预热器；预热器与回转窑和分解炉连接，所述预热器包括一级旋风筒、二级旋风筒、三级旋风筒、四级旋风筒、五级旋风筒，而本实用新型升级改造的主要在于分解炉。
在本实用新型一种优选的实施方式中，进入分解炉柱体1的煤粉量占窑尾总煤粉量的0％-20％，且进入分解炉上部的柱体1内的两路煤粉量相等。
在本实用新型一种优选的实施方式中，进入分解炉下部的锥体2的煤粉量占窑尾总煤粉量的80％-100％，且进入分解炉下部的锥体2的四路煤粉量相等。
本实用新型是一种与以往的分级燃烧有着不同点的NOx减排技术，本实用新型技术方案的主要创新点是：
(1)对喂入分解炉燃料的喷入位置和燃烧形式进行重新设计，在分解炉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，合理布置燃烧器的位置与角度，避免产生局部高温和结皮。
(2)对水泥窑窑尾上升烟道的气流进行整流，以使上升气流的流场更加顺畅；
(3)在窑尾上升烟道与分解炉锥部交界处设置扬料跳台，可更好地分散下落的生料，防止生料塌料直接入窑及产生局部高温区。
本技术关键设备(技术)开发：
①窑尾煤粉输送分配技术：由于分解炉燃烧器有6个，且6个燃烧器的喂煤量设计不同，因此需要通过煤粉管道的设计来满足燃烧器喷煤量的要求，这主要是通过煤粉分配器来实现的，同时还对煤粉管道的管径和风速(30m/s)进行了特殊设计；
②分解炉还原区的创建技术：分解炉还原区的创建至关重要，本技术通过对分解炉燃烧器位置的重新设计，将窑尾煤粉分为6点，上下2层进入，进入分解炉煤粉的速度、位置、角度、切入角等，直接影响煤粉在分解炉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4个燃烧器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；
③窑尾烟气的整流技术：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，本技术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；
④C4分料下部撒料盒，保证物料顺畅达到煤粉燃烧趋于，避免产生高温结皮，内部通过浇注料砌筑20°-35°倾角，保证撒料效果。
本系统的技术特点是在分解炉内部有效构建了还原区，并通过对窑尾烟室及上升烟道，以及分解炉锥部的改造，避免了还原区结皮等不利因素，达到了很好的运行效果。
通过对凤凰建材4500t/d生产线分级燃烧技术改造和运行调试，脱硝效果达到了设计目标值，主要实施效果如下：
分级燃烧技术改造脱硝效果明显，NOx减排效率平均在60％左右(特别是对分解炉炉容较大的生产线脱硝效率更加明显)，且改造后不影响水泥熟料的产、质量；
有效解决和避免了脱硝还原区、窑尾烟室、分解炉等部位的结皮现象，保证了脱硝系统及熟料生产系统的正常、稳定运行；
窑尾烟室上升烟道以及分解炉下锥体的耐火材料改造效果较好，不易产生塌料现象，窑内通风更易于稳定，窑尾负压降低，且波动幅度缩小，窑况较改造前更稳定。
本实用新型装置用于新型干法窑2000t/d～12000t/d熟料线项目。
在本实用新型中，C4一般是本领域技术人员对C4旋风筒也即第四级旋风筒的简称。而窑头、窑尾也即回转窑的窑头或窑尾。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
