某水泥廠為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型并滿足可持續(xù)發(fā)展的需要,響應(yīng)國家環(huán)保政策,擬增加水泥窯協(xié)同處理垃圾焚燒飛灰系統(tǒng)。飛灰進(jìn)廠后先進(jìn)行水洗,去除里面的部分氯鹽,再進(jìn)行烘干,之后直接喂入分解爐然后入窯,利用水泥窯對飛灰進(jìn)行無害化、資源化協(xié)同處置。根據(jù)擬處置的飛灰入窯量,對入窯生料與入窯飛灰的化學(xué)成分進(jìn)行了綜合分析,確定生料中的Cl-含量已超標(biāo)準(zhǔn)值,因此需要增設(shè)旁路放風(fēng)系統(tǒng),打破系統(tǒng)中Cl-的循環(huán)富集,避免窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)皮堵塞等情況。同時(shí),在此基礎(chǔ)上,分析了增設(shè)旁路放風(fēng)后對燒成系統(tǒng)的影響。
1 旁路放風(fēng)系統(tǒng)簡介
旁路放風(fēng)的工藝流程如圖1所示。
圖1 旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程
旁路放風(fēng)抽取的煙氣,與驟冷風(fēng)機(jī)供應(yīng)的適量冷風(fēng),在驟冷室內(nèi)進(jìn)行充分混合,確保出驟冷室的氣體溫度控制在300 ℃左右。同時(shí),在煙氣管道上加設(shè)冷風(fēng)閥,通過摻入的冷風(fēng)對煙氣進(jìn)行二次冷卻,使冷卻后的煙氣溫度在進(jìn)入收塵器之前降低到180~220 ℃。收集下來的粉塵進(jìn)入收塵器下新設(shè)的窯灰倉,經(jīng)散裝機(jī)卸入罐車?yán)吡硇刑幚恚瑥U氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)后進(jìn)入原窯尾高溫風(fēng)機(jī)出口管道中匯入原系統(tǒng)。
2 旁路放風(fēng)量的確定
一般認(rèn)為,當(dāng)生料中總堿量(K2O+Na2O)>1%,氯(Cl-)含量>0.015%或生料中的硫堿摩爾比>1時(shí),就可能影響燒成系統(tǒng)的正常操作。此時(shí),采取適當(dāng)?shù)呐月贩棚L(fēng)措施是解決有害組分循環(huán)富集問題、降低熟料中堿、氯、硫含量的有效措施,滿足生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低堿熟料的需要。根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),旁路放風(fēng)效果最明顯的是針對入窯生料Cl-含量過高的情況。
2.1 入窯生料中有害物質(zhì)含量限值及揮發(fā)系數(shù)
Weber基于有關(guān)假設(shè),推導(dǎo)出的堿循環(huán)系數(shù)K的計(jì)算公式如下(假定堿全部來自生料):
K-1=ε1(1-V)/[1-ε2(1-V)](1)
熟料中堿減少量ΔA的公式是:
ΔA=(K-1)V/(1-V)(2)
式中:
(K-1)——堿循環(huán)量;
ε1——生料中堿的揮發(fā)系數(shù);
ε2——循環(huán)堿的揮發(fā)系數(shù);
V——旁路放風(fēng)量加不冷凝于預(yù)熱器的堿。
上式同樣適用于硫化物和氯化物的計(jì)算。幾種典型物質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)見表1。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),預(yù)分解窯系統(tǒng)中入窯熱生料中各揮發(fā)性有害物質(zhì)的含量上限值見表2。
在不改變現(xiàn)有配料方案前提下,根據(jù)噴入飛灰所引起的成分變化(主要是堿、氯、硫等有害成分),通過驗(yàn)算不同放風(fēng)比例時(shí)的入窯熱生料及熟料中堿、氯、硫的含量,在確保結(jié)皮程度在可控范圍之內(nèi)的前提下,確定最小的窯尾煙室放風(fēng)比例,在保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行的同時(shí),將熱耗、電耗、料耗等方面的負(fù)面影響降至最低。
表1 幾種典型物質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)
表2 幾種典型揮發(fā)性物質(zhì)在入窯熱生料中的含量限值%
2.2 計(jì)算依據(jù)
增加處理飛灰系統(tǒng)前生產(chǎn)線基本情況:熟料線規(guī)模2?000 t/d,窯頭用煤量4.4 t/h,分解爐用煤量6.6 t/h,煤熱值26?585 kJ/kg。入窯生料、飛灰及煤灰的化學(xué)分析見表3,入窯煤粉的工業(yè)分析見表4。
表4 煤的工業(yè)分析
2.3 計(jì)算過程
1)旁路放風(fēng)量0%
當(dāng)加入8%飛灰、不進(jìn)行窯尾煙室放風(fēng)時(shí),計(jì)算結(jié)果見表5。
表5 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為0%計(jì)算結(jié)果
圖2 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為0%時(shí)窯尾結(jié)皮程度
從表5和圖2可以看出,當(dāng)添加8%的飛灰,不進(jìn)行窯尾煙室旁路放風(fēng)時(shí),生料中的Cl-嚴(yán)重超標(biāo),系統(tǒng)有重度結(jié)皮的風(fēng)險(xiǎn),將影響系統(tǒng)的運(yùn)行,須采用旁路放風(fēng)進(jìn)行規(guī)避。下面分別以3%、5%、8%、10%四種旁路放風(fēng)量來計(jì)算對系統(tǒng)的影響。
2)旁路放風(fēng)量3%
當(dāng)添加8%飛灰、旁路放風(fēng)量占窯尾煙室煙氣量3%時(shí),計(jì)算結(jié)果見表6。
表6 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為3%計(jì)算結(jié)果
圖3 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為3%時(shí)窯尾結(jié)皮程度
從表6和圖3中可以看出,當(dāng)添加8%的飛灰、旁路放風(fēng)放出3%窯尾煙室風(fēng)量時(shí),入窯熱生料中的揮發(fā)性有害成分堿、氯、硫已降至限值以內(nèi),但系統(tǒng)仍處于重度結(jié)皮的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。
3)旁路放風(fēng)量5%
當(dāng)添加8%飛灰、旁路放風(fēng)量占窯尾煙室煙氣量5%時(shí),計(jì)算結(jié)果見表7。
表7 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為5%計(jì)算結(jié)果
圖4 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為5%時(shí)窯尾結(jié)皮程度
從表7和圖4中可以看出,當(dāng)添加8%的飛灰、旁路放風(fēng)放出5%窯尾煙室風(fēng)量時(shí),入窯熱生料中的揮發(fā)性有害成分堿、氯、硫都處于限值以內(nèi),系統(tǒng)結(jié)皮處于可接受范圍,但處于上限附近,仍比較嚴(yán)重。
4)旁路放風(fēng)量8%
當(dāng)添加8%飛灰、旁路放風(fēng)量占窯尾煙室煙氣量8%時(shí),計(jì)算結(jié)果見表8。
表8 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為8%計(jì)算結(jié)果
從表8和圖5中可以看出,當(dāng)添加8%的飛灰、旁路放風(fēng)放出8%窯尾煙室風(fēng)量時(shí),入窯熱生料中的揮發(fā)性有害成分堿、氯、硫都處于限值以內(nèi),系統(tǒng)結(jié)皮處于可接受范圍。
5)旁路放風(fēng)量10%
圖5 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為8%時(shí)窯尾結(jié)皮程度
當(dāng)添加8%飛灰、旁路放風(fēng)量占窯尾煙室煙氣量10%時(shí),計(jì)算結(jié)果見表9。
表9 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為10%計(jì)算結(jié)果
圖6 添加8%飛灰、旁路放風(fēng)為10%時(shí)窯尾結(jié)皮程度
從表9和圖6中可以看出,當(dāng)添加8%的飛灰、旁路放風(fēng)放出10%窯尾煙室風(fēng)量時(shí),入窯熱生料中的揮發(fā)性有害成分堿、氯、硫都處于限值以內(nèi),系統(tǒng)結(jié)皮處于可接受范圍。
2.4 旁路放風(fēng)量的選擇
綜合比較旁路放風(fēng)量分別為3%、5%、8%和10%的情況,放風(fēng)量3%時(shí)系統(tǒng)有重度結(jié)皮風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)加大放風(fēng)量;放風(fēng)量5%、8%、10%時(shí)系統(tǒng)結(jié)皮程度都在可接受范圍之內(nèi),但5%放風(fēng)量時(shí)結(jié)皮在可接受范圍的上限值,靠近重度結(jié)皮,仍應(yīng)加大放風(fēng)量;8%放風(fēng)量時(shí)結(jié)皮在可接受范圍的中間值,可以接受;繼續(xù)加大放風(fēng)量到10%時(shí),結(jié)皮仍然在可接受范圍內(nèi),變化不大,但由于加大了放風(fēng)量,對系統(tǒng)的熱耗、電耗、料耗等影響較大。綜合考慮,僅從放風(fēng)比例與結(jié)皮程度上判斷,8%的旁路放風(fēng)量比較合理。
當(dāng)然,即使設(shè)置了旁路放風(fēng)系統(tǒng),也并不是就能徹底杜絕結(jié)皮和堵塞現(xiàn)象。對窯和預(yù)熱器要精心操作,使各部位的溫度、壓力穩(wěn)定,同時(shí)保證喂料量穩(wěn)定,在容易結(jié)皮的地方設(shè)置空氣炮及壓縮空氣清掃裝置,勤巡檢等措施都要到位,這樣才能將結(jié)皮堵塞的風(fēng)險(xiǎn)控制到最小。
3 旁路放風(fēng)的影響分析旁路放風(fēng)抽取的是窯尾煙室中含有高濃度入窯熱生料的高溫?zé)煔,勢必會對熟料熱耗、料耗、電耗等產(chǎn)生一定的影響。準(zhǔn)確的變化值與多種因素有關(guān),如旁路放風(fēng)的比例、二次風(fēng)量的大小、窯尾煙室煙氣中各組分的比例等。
3.1 計(jì)算依據(jù)
以生料入窯分解率95%、窯尾煙室氧氣濃度2.5%、頭煤比例40%核算,窯尾煙室處的煙氣量計(jì)算值約為0.44 Nm3/kg熟料。
根據(jù)窯尾煙室處溫度約1?100 ℃、粉塵濃度約為200 g/Nm3、NOx濃度約2?000 mg/Nm3計(jì)算,在放風(fēng)量為8%的情況下,可以得出以下計(jì)算結(jié)果。
3.2 對料耗的影響
旁路放風(fēng)帶走的窯灰:
Q熱生料=0.44×0.08×(200/106)×(2?000/24)×103
= 0.587 (t/h)
入窯熱生料跟生料相比,以原系統(tǒng)料耗1.53 t/t考慮,旁路風(fēng)增加的料耗為:
Q生料=0.587×1.53=0.898 (t/h)
折算成噸熟料的生料損耗量為:
0.898/2?000×24=0.010?8 (t/t熟料)
3.3 對系統(tǒng)熱耗的影響
依據(jù)煙氣的主要成分、溫度、粉塵濃度等指標(biāo),旁路風(fēng)的比熱容約為1.65 kJ/(Nm3·℃)。
煙氣帶走的顯熱:
Q顯=0.44×0.08×1.65×1?100=63.9 (kJ/kg熟料)
轉(zhuǎn)化成標(biāo)煤:
63.9×1?000/(4.18×7?000)=2.18 (kg/t熟料)
3.4 對系統(tǒng)電耗的影響
各風(fēng)機(jī)參數(shù)見表10。
根據(jù)風(fēng)機(jī)軸功率的計(jì)算公式:
N=Q×P/(1?000×η×3?600×ηm)(3)
式中:
Q——流量,m3/h;
P——全壓,Pa;
η——風(fēng)機(jī)效率,取0.8;
ηm——機(jī)械效率,取0.98。
表10 旁路放風(fēng)各風(fēng)機(jī)參數(shù)
計(jì)算結(jié)果如下:
N驟冷風(fēng)機(jī)
=17?600×2?000/(1?000×0.8×3?600×0.98)
=12.47 (kW)
N旁路收塵風(fēng)機(jī)
=50?000×2?500/(1?000×0.8×3?600×0.98)
=44.28 (kW)
N窯尾收塵風(fēng)機(jī)
=50?000×3?500/(1?000×0.8×3?600×0.98)
=62.00 (kW)
因此總的功率增加量(即每小時(shí)電耗增加量):
N總= N驟冷風(fēng)機(jī)+ N旁路收塵風(fēng)機(jī)+ N窯尾收塵風(fēng)機(jī)
=12.47+44.28+62.00=118.75 (kWh/h)
折算成噸熟料電耗:
118.75×24/2?000=1.43 (kWh/t熟料)
3.5 對窯尾廢氣排放中NOx濃度的影響
窯尾煙室中煙氣的NOx濃度通常在2?000 mg/Nm3左右。如果冷卻后的旁路煙氣直接排放到大氣或者進(jìn)入窯尾煙囪中,可能會導(dǎo)致NOx排放量超標(biāo),產(chǎn)生環(huán)保問題,需要予以特別關(guān)注。
本項(xiàng)目中企業(yè)內(nèi)控排放指標(biāo)為NOx≤ 100 mg/Nm3,現(xiàn)在實(shí)際控制在NOx≤70 mg/Nm3(折算為10%氧氣濃度)。
煙室中NOx濃度按2?000 mg/Nm3計(jì)算,摻加冷卻風(fēng)后的總旁路煙氣量為22?750 Nm3/h、氧氣濃度18.5%,煙囪中的總廢氣量按1.7 Nm3/kg熟料、氧氣濃度按6.7%計(jì)算,結(jié)果見表11。
當(dāng)旁路放風(fēng)比例為8%,窯尾煙室的NOx濃度在2?000 mg/Nm3時(shí),旁路放出的風(fēng)最終與C1出口風(fēng)匯合后進(jìn)入窯尾煙囪的混合廢氣中NOx排放濃度為98 mg/Nm3(折算為10%氧氣濃度)。雖然仍然滿足該地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn),但已經(jīng)處于上限值。隨著國家和地方環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格,窯尾煙囪中的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)也將逐步收緊至100 mg/Nm3以內(nèi)。實(shí)施此標(biāo)準(zhǔn)后,在實(shí)際生產(chǎn)中,窯尾煙室中的NOx濃度值一旦超過2?000 mg/Nm3,必然會造成窯尾煙囪NOx的排放量超標(biāo),此時(shí)需進(jìn)一步降低C1出口NOx濃度。由于該廠采用的是SNCR系統(tǒng),為保證NOx排放量低于上限值,噴氨量將會增加,在增加成本的同時(shí),可能會導(dǎo)致窯尾廢氣中氨逃逸的增加,故應(yīng)引起重視。
表11 各位置NOx及O2濃度
4 結(jié)束語綜上所述,增設(shè)旁路放風(fēng)后對系統(tǒng)的影響一般都是較大的。因此,在前期階段要根據(jù)擬處理的飛灰量來進(jìn)行詳細(xì)的模擬計(jì)算,確定合理的、盡可能小的放風(fēng)比例,并分析對系統(tǒng)各方面的影響;另一方面,飛灰屬于危廢,水泥窯協(xié)同處理飛灰,可以真正實(shí)現(xiàn)飛灰處理的減量化、資源化、無害化,符合國家的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策,具有極強(qiáng)的社會效益,企業(yè)決策時(shí)需要綜合考慮企業(yè)增加的運(yùn)營成本和帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。