煤粉为燃料的套筒窑的现代化改造—rev.1

煤粉为燃料的套筒窑的现代化改造

作者：罗杰·沃廉姆博士，工艺工程师，来自于瑞士麦尔兹公司 韩忠义，工艺、调试工程师，瑞士麦尔兹公司中国业务负责人

一座位于意大利拉科市的联合烧结公司的套筒窑，已经升级为带有6个侧烧嘴。在改造之前，生物质燃料（固体燃料）加入燃烧室内，由于燃烧温度过高，会导致耐火内衬受损，因此向燃烧室供应的生物质燃料（固体燃料）输入量受到限制。额外又安装6个侧烧嘴后，石灰质量得到了很大的改善，同时生物质燃料（固体燃料）输入量增加了27%，氮氧化物的排放也没有随之增加。 一、套筒窑简介

套筒窑是在上个世纪70年代研发的煅烧活性石灰的单膛竖窑。为了达到这个用途，把煅烧带建立在窑体比较低的位置。对比麦尔兹并流蓄热式双膛石灰窑，窑膛几何形状比较复杂，如图1所示。

图1 套筒窑的结构

套筒窑内的气体流动如图2所示。石灰石从窑顶加入。在预热带，石灰石被一部分对流的助燃风（A）预热。另一部分对流的助燃风流入顶部的内部缸体（B）和换热器（C）去预热下层燃烧室内助燃风。它在预热器里面，与通过预热带（D）的燃烧气体混合，最终从烟囱排出（E）。在顶部燃烧室内（F），燃料和空气被混合，燃烧后向上流动通过石灰石料床到达预热带（D）

底部燃烧室（G）内助燃气流是由部分存在预热器（C）预热气体和部分冷却空气组成。这些气流可以产生较低的真空，

并可以吸收部分来自于冷却带（K）的冷却空气进入到中间内缸（H）。由于这个真空，部分助燃风从下部燃烧室向下流动到中间内缸的下端。这产生了一个并流燃烧区（J），这是生产高活性石灰所必需的。在冷却带（K），石灰被冷却到可以输送和储存的温度。

图2 套筒窑内的气体流向

1.1套筒窑内的热量分布

与麦尔兹并流蓄热式双膛窑或者麦尔兹高性能单膛竖窑的相比，套筒窑内的热量分布机理是不同的。在麦尔兹并流蓄热式双膛窑或者麦尔兹高性能单膛竖窑内，热量的分布是由喷枪的数量和侧面烧嘴控制的。另外，每只喷枪的燃料流量可以调节。例如，使用不同型号喷嘴或者旋转阀门，这些设备安装在燃料供给系统上。同时，不同的石灰石粒度分布和气体流动可以进行相应地补偿，从而获得最优的热量分布。相对来讲，在套筒窑内，每一个独立的燃料注入点必须设计为耐火材料砌筑的燃烧室，因此这种调节改造投入就非常高。另外，由于燃烧室的容积需要比喷枪和由此带来阻碍物质的流量大的多，所以燃料注入点的数量也会被限制。由于燃烧室在两个水平面上的交错布置，仍然可以获得良好的热分布。 1.2在燃烧室内的生物质燃料的利用

由于上个世纪90年代气体燃料价格较高，联合烧结公司决定用生物质燃料替代一些气体燃料。因此，安装了一套将生物质燃料（固体燃料）直接送入燃烧室的系统。 在燃烧室内的直接使用生物质燃料（固体燃料）会产生两个后果。第一，氮氧化物排放浓度增加，由于在生物质燃料中的氮元素的含量较高。由于氮氧化物排放浓度有法定限制，生物质燃料的使用受到允许的最大氮氧化物排放值的限制。尽管不是生物质燃料内的所有氮元素都被释放，用较低的氮

含量生物质燃料，但随着氮含量的降低，从氮到氮氧化物的转化系数也会升高[1]。这意为着即使生物质燃料内氮元素减少也不会导致氮氧化物排放的明显减少。所以，唯一去减少氮氧化物排放的途径就是在燃烧区域减少氧气的供应量。 第二，在燃烧室内燃烧生物质等固体燃料会导致局部温度非常高。这会导致耐火内衬的附着物的增加，从而增加维修次数和成本。另外，生物质燃料残渣沉积在燃烧室的耐火炉衬上，会增加额外的耐火内衬附着层。 二、侧烧嘴：套筒窑行之有效的解决方案

侧烧嘴是一种固体燃料和空气在同一个装置置引入窑内。固体燃料和氧气比率可以自由选择。穿过窑体内衬放射性分布安装烧嘴。为了保护燃烧完成后的喷枪管，喷枪通过一个冷却水循环系统一直冷却。这样的系统已经安装在所有的高性能麦尔兹单膛竖窑上面，并已证明其耐用性和易于维护，如图3所示。

图3 高性能麦尔兹单膛竖窑侧烧嘴和水冷却系统

瑞士麦尔兹公司（是德国蒂森克虏伯集团旗下的子公司）发明和设计一种在套筒窑内使用侧面烧嘴的系统（专利号：EP2180280B1）。在拉科市联合烧结公司，侧烧嘴技术第一次用于改善热量分布和用于生物质燃料。6个侧烧嘴已经被安装在窑体上部6个燃烧室内。如图1所示，套筒窑已经安装侧烧嘴并只用于生物质燃料（固体燃料）注入。而新安装的侧烧嘴解决了上述套筒窑的相关问题。

带有新的侧烧嘴注入生物质燃料或者一些其它的固体燃料，如果需要增加生物质燃料注入的比例，可以增加新的侧烧嘴，并且不会损坏炉内耐火内衬。

此外，通过调节侧烧嘴的过量空气系数，可以更好地控制生物质燃料使用而产生的氮氧化物浓度。

通过增加侧烧嘴喷射点的数量，石灰的质量可以得到改善，而对石灰的流动几乎没有额外的阻碍。 三、成功调试

2020年6月，麦尔兹公司和联合烧结公司成功调试了一套水冷生物质燃料侧烧嘴系统，应用在日产500吨石灰的套筒窑上。由于新冠疫情的原因，通过麦尔兹公司远程支持，完美计划使调试得以顺利进行。由于侧烧嘴设计的简单可靠

的优点，侧烧嘴的安装是在窑体没有完全冷却甚至没有清空窑内物料的条件下进行的。 四、较好的质量，较少的排放

在2020年6月8日，调试完成后，窑运行切换到正常生产模式。刚开始时日产380吨，热耗没有变化。如报表1所示，生物质燃料占总燃料消耗的份额从22%增加到超过32%。其中50%的生物质燃料进入到侧烧嘴，另外50%被注入燃烧室内。尽管生物质输入量较高，但氮氧化物排放量保持不变，并低于法定限值。

报表1 改造前后的氮气化物排放量和石灰质量变化情况 通过使用侧烧嘴，对石灰质量的改善显而易见。在没有任何热耗的改变前提下，未运行新的侧烧嘴的套筒窑产出的石灰，残余二氧化碳是2.2%。运行侧面烧嘴后，6月19日，残余二氧化碳下降到1.2%，。刚开始时石灰质量并没有改变，可以解释为窑内相关区域需要升温。在运行的前两个月，石

灰质量稳定在1.75%（残余二氧化碳），这个指标和前十天运行时是一致的。通过在燃烧室之间侧面烧嘴的安装，套筒窑内热量分布改善被证实了。由于成功地运行，联合烧结公司决定测试另外的一些安装在燃烧室较低位置的侧烧嘴。 结果表明，套筒窑的侧烧嘴在不增加氮氧化物排放的前提下，可以利用较高比例甚至全部的生物质燃料（固体燃料）。作为一个额外的优点，更好的石灰质量可以实现。真正地填补了套筒窑不能烧固体燃料的行业技术空白。套筒窑内侧烧嘴将有助于降低燃料和二氧化碳排放增加而进行补贴的花费。与新建石灰窑相比，整个套筒窑的现代化改造的投入是非常低的。 参考文献：

[1] Marutzky, R.: Erkenntnisse zur Schadstoffbildung bei der Verbrennung von Holz und Spanplatten, WKi, Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Holzforschung, Braunschweig/Germany, 1991