某水泥廠為實現(xiàn)轉型并滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，響應國家環(huán)保政策，擬增加水泥窯協(xié)同處理垃圾焚燒飛灰系統(tǒng)。飛灰進廠后先進行水洗，去除里面的部分氯鹽，再進行烘干，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成分進行了綜合分析，確定生料中的Cl-含量已超標準值，因此需要增設旁路放風系統(tǒng)，打破系統(tǒng)中Cl-的循環(huán)富集，避免窯尾預熱器系統(tǒng)出現(xiàn)結皮堵塞等情況。同時，在此基礎上，分析了增設旁路放風后對燒成系統(tǒng)的影響。

1　旁路放風系統(tǒng)簡介

旁路放風的工藝流程如圖1所示。

圖1　旁路放風系統(tǒng)工藝流程

旁路放風抽取的煙氣，與驟冷風機供應的適量冷風，在驟冷室內(nèi)進行充分混合，確保出驟冷室的氣體溫度控制在300 ℃左右。同時，在煙氣管道上加設冷風閥，通過摻入的冷風對煙氣進行二次冷卻，使冷卻后的煙氣溫度在進入收塵器之前降低到180~220 ℃。收集下來的粉塵進入收塵器下新設的窯灰倉，經(jīng)散裝機卸入罐車拉走另行處理，廢氣經(jīng)引風機后進入原窯尾高溫風機出口管道中匯入原系統(tǒng)。

2　旁路放風量的確定

一般認為，當生料中總堿量（K2O+Na2O）>1%，氯（Cl-）含量>0.015%或生料中的硫堿摩爾比>1時，就可能影響燒成系統(tǒng)的正常操作。此時，采取適當?shù)呐月贩棚L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)計發(fā)現(xiàn)，旁路放風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基于有關假設，推導出的堿循環(huán)系數(shù)K的計算公式如下（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——旁路放風量加不冷凝于預熱器的堿。

上式同樣適用于硫化物和氯化物的計算。幾種典型物質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)見表1。根據(jù)實踐經(jīng)驗，預分解窯系統(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），通過驗算不同放風比例時的入窯熱生料及熟料中堿、氯、硫的含量，在確保結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比例，在保證系統(tǒng)能正常運行的同時，將熱耗、電耗、料耗等方面的負面影響降至最低。

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　計算過程

1）旁路放風量0%

當加入8%飛灰、不進行窯尾煙室放風時，計算結果見表5。

表5　添加8%飛灰、旁路放風為0%計算結果

圖2　添加8%飛灰、旁路放風為0%時窯尾結皮程度

從表5和圖2可以看出，當添加8%的飛灰，不進行窯尾煙室旁路放風時，生料中的Cl-嚴重超標，系統(tǒng)有重度結皮的風險，將影響系統(tǒng)的運行，須采用旁路放風進行規(guī)避。下面分別以3%、5%、8%、10%四種旁路放風量來計算對系統(tǒng)的影響。

2）旁路放風量3%

當添加8%飛灰、旁路放風量占窯尾煙室煙氣量3%時，計算結果見表6。

表6　添加8%飛灰、旁路放風為3%計算結果

圖3　添加8%飛灰、旁路放風為3%時窯尾結皮程度

從表6和圖3中可以看出，當添加8%的飛灰、旁路放風放出3%窯尾煙室風量時，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)仍處于重度結皮的風險區(qū)域。

3）旁路放風量5%

當添加8%飛灰、旁路放風量占窯尾煙室煙氣量5%時，計算結果見表7。

表7　添加8%飛灰、旁路放風為5%計算結果

圖4　添加8%飛灰、旁路放風為5%時窯尾結皮程度

從表7和圖4中可以看出，當添加8%的飛灰、旁路放風放出5%窯尾煙室風量時，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)結皮處于可接受范圍，但處于上限附近，仍比較嚴重。

4）旁路放風量8%

當添加8%飛灰、旁路放風量占窯尾煙室煙氣量8%時，計算結果見表8。

表8　添加8%飛灰、旁路放風為8%計算結果

從表8和圖5中可以看出，當添加8%的飛灰、旁路放風放出8%窯尾煙室風量時，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)結皮處于可接受范圍。

5）旁路放風量10%

圖5　添加8%飛灰、旁路放風為8%時窯尾結皮程度

當添加8%飛灰、旁路放風量占窯尾煙室煙氣量10%時，計算結果見表9。

表9　添加8%飛灰、旁路放風為10%計算結果

圖6　添加8%飛灰、旁路放風為10%時窯尾結皮程度

從表9和圖6中可以看出，當添加8%的飛灰、旁路放風放出10%窯尾煙室風量時，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)結皮處于可接受范圍。

2.4　旁路放風量的選擇

綜合比較旁路放風量分別為3%、5%、8%和10%的情況，放風量3%時系統(tǒng)有重度結皮風險，應加大放風量；放風量5%、8%、10%時系統(tǒng)結皮程度都在可接受范圍之內(nèi)，但5%放風量時結皮在可接受范圍的上限值，靠近重度結皮，仍應加大放風量；8%放風量時結皮在可接受范圍的中間值，可以接受；繼續(xù)加大放風量到10%時，結皮仍然在可接受范圍內(nèi)，變化不大，但由于加大了放風量，對系統(tǒng)的熱耗、電耗、料耗等影響較大。綜合考慮，僅從放風比例與結皮程度上判斷，8%的旁路放風量比較合理。

當然，即使設置了旁路放風系統(tǒng)，也并不是就能徹底杜絕結皮和堵塞現(xiàn)象。對窯和預熱器要精心操作，使各部位的溫度、壓力穩(wěn)定，同時保證喂料量穩(wěn)定，在容易結皮的地方設置空氣炮及壓縮空氣清掃裝置，勤巡檢等措施都要到位，這樣才能將結皮堵塞的風險控制到最小。

旁路放風抽取的是窯尾煙室中含有高濃度入窯熱生料的高溫煙氣，勢必會對熟料熱耗、料耗、電耗等產(chǎn)生一定的影響。準確的變化值與多種因素有關，如旁路放風的比例、二次風量的大小、窯尾煙室煙氣中各組分的比例等。

3.1　計算依據(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計算，在放風量為8%的情況下，可以得出以下計算結果。

3.2　對料耗的影響

旁路放風帶走的窯灰：

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，旁路風的比熱容約為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）

轉化成標煤：

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

各風機參數(shù)見表10。

根據(jù)風機軸功率的計算公式：

N=Q×P/（1?000×η×3?600×ηm）（3）

式中：

Q——流量，m3/h；

P——全壓，Pa；

η——風機效率，取0.8；

ηm——機械效率，取0.98。

表10　旁路放風各風機參數(shù)

計算結果如下：

N驟冷風機

=17?600×2?000/（1?000×0.8×3?600×0.98）

=12.47 （kW）

N旁路收塵風機

=50?000×2?500/（1?000×0.8×3?600×0.98）

=44.28 （kW）

N窯尾收塵風機

=50?000×3?500/（1?000×0.8×3?600×0.98）

=62.00 （kW）

因此總的功率增加量（即每小時電耗增加量）：

N總= N驟冷風機+ N旁路收塵風機+ N窯尾收塵風機

　 =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入窯尾煙囪中，可能會導致NOx排放量超標，產(chǎn)生環(huán)保問題，需要予以特別關注。

本項目中企業(yè)內(nèi)控排放指標為NOx≤ 100 mg/Nm3，現(xiàn)在實際控制在NOx≤70 mg/Nm3（折算為10%氧氣濃度）。

煙室中NOx濃度按2?000 mg/Nm3計算，摻加冷卻風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%計算，結果見表11。

當旁路放風比例為8%，窯尾煙室的NOx濃度在2?000 mg/Nm3時，旁路放出的風最終與C1出口風匯合后進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)排放標準和企業(yè)內(nèi)控標準，但已經(jīng)處于上限值。隨著國家和地方環(huán)保政策的日趨嚴格，窯尾煙囪中的NOx排放標準也將逐步收緊至100 mg/Nm3以內(nèi)。實施此標準后，在實際生產(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，此時需進一步降低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，可能會導致窯尾廢氣中氨逃逸的增加，故應引起重視。

表11　各位置NOx及O2濃度

       綜上所述，增設旁路放風后對系統(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行詳細的模擬計算，確定合理的、盡可能小的放風比例，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，可以真正實現(xiàn)飛灰處理的減量化、資源化、無害化，符合國家的相關產(chǎn)業(yè)政策，具有極強的社會效益，企業(yè)決策時需要綜合考慮企業(yè)增加的運營成本和帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。