某水泥厂为实现转型并满足可持续发展的需要，响应国家环保政策，拟增加水泥窑协同处理垃圾焚烧飞灰系统。飞灰进厂后先进行水洗，去除里面的部分氯盐，再进行烘干，之后直接喂入分解炉然后入窑，利用水泥窑对飞灰进行无害化、资源化协同处置。根据拟处置的飞灰入窑量，对入窑生料与入窑飞灰的化学成分进行了综合分析，确定生料中的Cl-含量已超标准值，因此需要增设旁路放风系统，打破系统中Cl-的循环富集，避免窑尾预热器系统出现结皮堵塞等情况。同时，在此基础上，分析了增设旁路放风后对烧成系统的影响。

1　旁路放风系统简介

旁路放风的工艺流程如图1所示。

图1　旁路放风系统工艺流程

旁路放风抽取的烟气，与骤冷风机供应的适量冷风，在骤冷室内进行充分混合，确保出骤冷室的气体温度控制在300 ℃左右。同时，在烟气管道上加设冷风阀，通过掺入的冷风对烟气进行二次冷却，使冷却后的烟气温度在进入收尘器之前降低到180~220 ℃。收集下来的粉尘进入收尘器下新设的窑灰仓，经散装机卸入罐车拉走另行处理，废气经引风机后进入原窑尾高温风机出口管道中汇入原系统。

2　旁路放风量的确定

一般认为，当生料中总碱量（K2O+Na2O）>1%，氯（Cl-）含量>0.015%或生料中的硫碱摩尔比>1时，就可能影响烧成系统的正常操作。此时，采取适当的旁路放风措施是解决有害组分循环富集问题、降低熟料中碱、氯、硫含量的有效措施，满足生产优质低碱熟料的需要。根据生产统计发现，旁路放风效果最明显的是针对入窑生料Cl-含量过高的情况。

2.1　入窑生料中有害物质含量限值及挥发系数

Weber基于有关假设，推导出的碱循环系数K的计算公式如下（假定碱全部来自生料）：

K-1=ε1（1-V）/[1-ε2（1-V）]（1）

熟料中碱减少量ΔA的公式是：

ΔA=（K-1）V/（1-V）（2）

式中：

（K-1）——碱循环量；

ε1——生料中碱的挥发系数；

ε2——循环碱的挥发系数；

V——旁路放风量加不冷凝于预热器的碱。

上式同样适用于硫化物和氯化物的计算。几种典型物质的挥发系数见表1。根据实践经验，预分解窑系统中入窑热生料中各挥发性有害物质的含量上限值见表2。

在不改变现有配料方案前提下，根据喷入飞灰所引起的成分变化（主要是碱、氯、硫等有害成分），通过验算不同放风比例时的入窑热生料及熟料中碱、氯、硫的含量，在确保结皮程度在可控范围之内的前提下，确定最小的窑尾烟室放风比例，在保证系统能正常运行的同时，将热耗、电耗、料耗等方面的负面影响降至最低。

表1　几种典型物质的挥发系数

表2　几种典型挥发性物质在入窑热生料中的含量限值%

2.2　计算依据

增加处理飞灰系统前生产线基本情况：熟料线规模2?000 t/d，窑头用煤量4.4 t/h，分解炉用煤量6.6 t/h，煤热值26?585 kJ/kg。入窑生料、飞灰及煤灰的化学分析见表3，入窑煤粉的工业分析见表4。

表4　煤的工业分析

2.3　计算过程

1）旁路放风量0%

当加入8%飞灰、不进行窑尾烟室放风时，计算结果见表5。

表5　添加8%飞灰、旁路放风为0%计算结果

图2　添加8%飞灰、旁路放风为0%时窑尾结皮程度

从表5和图2可以看出，当添加8%的飞灰，不进行窑尾烟室旁路放风时，生料中的Cl-严重超标，系统有重度结皮的风险，将影响系统的运行，须采用旁路放风进行规避。下面分别以3%、5%、8%、10%四种旁路放风量来计算对系统的影响。

2）旁路放风量3%

当添加8%飞灰、旁路放风量占窑尾烟室烟气量3%时，计算结果见表6。

表6　添加8%飞灰、旁路放风为3%计算结果

图3　添加8%飞灰、旁路放风为3%时窑尾结皮程度

从表6和图3中可以看出，当添加8%的飞灰、旁路放风放出3%窑尾烟室风量时，入窑热生料中的挥发性有害成分碱、氯、硫已降至限值以内，但系统仍处于重度结皮的风险区域。

3）旁路放风量5%

当添加8%飞灰、旁路放风量占窑尾烟室烟气量5%时，计算结果见表7。

表7　添加8%飞灰、旁路放风为5%计算结果

图4　添加8%飞灰、旁路放风为5%时窑尾结皮程度

从表7和图4中可以看出，当添加8%的飞灰、旁路放风放出5%窑尾烟室风量时，入窑热生料中的挥发性有害成分碱、氯、硫都处于限值以内，系统结皮处于可接受范围，但处于上限附近，仍比较严重。

4）旁路放风量8%

当添加8%飞灰、旁路放风量占窑尾烟室烟气量8%时，计算结果见表8。

表8　添加8%飞灰、旁路放风为8%计算结果

从表8和图5中可以看出，当添加8%的飞灰、旁路放风放出8%窑尾烟室风量时，入窑热生料中的挥发性有害成分碱、氯、硫都处于限值以内，系统结皮处于可接受范围。

5）旁路放风量10%

图5　添加8%飞灰、旁路放风为8%时窑尾结皮程度

当添加8%飞灰、旁路放风量占窑尾烟室烟气量10%时，计算结果见表9。

表9　添加8%飞灰、旁路放风为10%计算结果

图6　添加8%飞灰、旁路放风为10%时窑尾结皮程度

从表9和图6中可以看出，当添加8%的飞灰、旁路放风放出10%窑尾烟室风量时，入窑热生料中的挥发性有害成分碱、氯、硫都处于限值以内，系统结皮处于可接受范围。

2.4　旁路放风量的选择

综合比较旁路放风量分别为3%、5%、8%和10%的情况，放风量3%时系统有重度结皮风险，应加大放风量；放风量5%、8%、10%时系统结皮程度都在可接受范围之内，但5%放风量时结皮在可接受范围的上限值，靠近重度结皮，仍应加大放风量；8%放风量时结皮在可接受范围的中间值，可以接受；继续加大放风量到10%时，结皮仍然在可接受范围内，变化不大，但由于加大了放风量，对系统的热耗、电耗、料耗等影响较大。综合考虑，仅从放风比例与结皮程度上判断，8%的旁路放风量比较合理。

当然，即使设置了旁路放风系统，也并不是就能彻底杜绝结皮和堵塞现象。对窑和预热器要精心操作，使各部位的温度、压力稳定，同时保证喂料量稳定，在容易结皮的地方设置空气炮及压缩空气清扫装置，勤巡检等措施都要到位，这样才能将结皮堵塞的风险控制到最小。

旁路放风抽取的是窑尾烟室中含有高浓度入窑热生料的高温烟气，势必会对熟料热耗、料耗、电耗等产生一定的影响。准确的变化值与多种因素有关，如旁路放风的比例、二次风量的大小、窑尾烟室烟气中各组分的比例等。

3.1　计算依据

以生料入窑分解率95%、窑尾烟室氧气浓度2.5%、头煤比例40%核算，窑尾烟室处的烟气量计算值约为0.44 Nm3/kg熟料。

根据窑尾烟室处温度约1?100 ℃、粉尘浓度约为200 g/Nm3、NOx浓度约2?000 mg/Nm3计算，在放风量为8%的情况下，可以得出以下计算结果。

3.2　对料耗的影响

旁路放风带走的窑灰：

Q热生料=0.44×0.08×（200/106）×（2?000/24）×103

　　　　 = 0.587 （t/h）

入窑热生料跟生料相比，以原系统料耗1.53 t/t考虑，旁路风增加的料耗为：

Q生料=0.587×1.53=0.898 （t/h）

折算成吨熟料的生料损耗量为：

0.898/2?000×24=0.010?8 （t/t熟料）

3.3　对系统热耗的影响

依据烟气的主要成分、温度、粉尘浓度等指标，旁路风的比热容约为1.65 kJ/（Nm3·℃）。

烟气带走的显热：

Q显=0.44×0.08×1.65×1?100=63.9 （kJ/kg熟料）

转化成标煤：

63.9×1?000/（4.18×7?000）=2.18 （kg/t熟料）

3.4　对系统电耗的影响

各风机参数见表10。

根据风机轴功率的计算公式：

N=Q×P/（1?000×η×3?600×ηm）（3）

式中：

Q——流量，m3/h；

P——全压，Pa；

η——风机效率，取0.8；

ηm——机械效率，取0.98。

表10　旁路放风各风机参数

计算结果如下：

N骤冷风机

=17?600×2?000/（1?000×0.8×3?600×0.98）

=12.47 （kW）

N旁路收尘风机

=50?000×2?500/（1?000×0.8×3?600×0.98）

=44.28 （kW）

N窑尾收尘风机

=50?000×3?500/（1?000×0.8×3?600×0.98）

=62.00 （kW）

因此总的功率增加量（即每小时电耗增加量）：

N总= N骤冷风机+ N旁路收尘风机+ N窑尾收尘风机

　 =12.47+44.28+62.00=118.75 （kWh/h）

折算成吨熟料电耗：

118.75×24/2?000=1.43 （kWh/t熟料）

3.5　对窑尾废气排放中NOx浓度的影响

窑尾烟室中烟气的NOx浓度通常在2?000 mg/Nm3左右。如果冷却后的旁路烟气直接排放到大气或者进入窑尾烟囱中，可能会导致NOx排放量超标，产生环保问题，需要予以特别关注。

本项目中企业内控排放指标为NOx≤ 100 mg/Nm3，现在实际控制在NOx≤70 mg/Nm3（折算为10%氧气浓度）。

烟室中NOx浓度按2?000 mg/Nm3计算，掺加冷却风后的总旁路烟气量为22?750 Nm3/h、氧气浓度18.5%，烟囱中的总废气量按1.7 Nm3/kg熟料、氧气浓度按6.7%计算，结果见表11。

当旁路放风比例为8%，窑尾烟室的NOx浓度在2?000 mg/Nm3时，旁路放出的风最终与C1出口风汇合后进入窑尾烟囱的混合废气中NOx排放浓度为98 mg/Nm3（折算为10%氧气浓度）。虽然仍然满足该地区排放标准和企业内控标准，但已经处于上限值。随着国家和地方环保政策的日趋严格，窑尾烟囱中的NOx排放标准也将逐步收紧至100 mg/Nm3以内。实施此标准后，在实际生产中，窑尾烟室中的NOx浓度值一旦超过2?000 mg/Nm3，必然会造成窑尾烟囱NOx的排放量超标，此时需进一步降低C1出口NOx浓度。由于该厂采用的是SNCR系统，为保证NOx排放量低于上限值，喷氨量将会增加，在增加成本的同时，可能会导致窑尾废气中氨逃逸的增加，故应引起重视。

表11　各位置NOx及O2浓度

       综上所述，增设旁路放风后对系统的影响一般都是较大的。因此，在前期阶段要根据拟处理的飞灰量来进行详细的模拟计算，确定合理的、尽可能小的放风比例，并分析对系统各方面的影响；另一方面，飞灰属于危废，水泥窑协同处理飞灰，可以真正实现飞灰处理的减量化、资源化、无害化，符合国家的相关产业政策，具有极强的社会效益，企业决策时需要综合考虑企业增加的运营成本和带来的经济效益和社会效益。