PYROCLON? REDOX技術(shù)在降低氮氧化物排放方面取得的進(jìn)展

一、前言

近年來PYROCLON? REDOX技術(shù)對氮氧化物的減排做出了巨大的推動作用。在歐洲及以外的其他國家和地區(qū)如美國等對環(huán)境保護(hù)有嚴(yán)格規(guī)定也實(shí)行了更加嚴(yán)格的環(huán)保指標(biāo)。環(huán)境保護(hù)的控制指標(biāo)對減排方法和技術(shù)路線提出了新的要求。當(dāng)前，回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器、分解爐分級燃燒、以及SCR/SNCR系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放指標(biāo)的主流技術(shù)路線。但是，現(xiàn)階段沒有哪一項(xiàng)技術(shù)方案能夠單獨(dú)達(dá)到當(dāng)前超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。雖然利用前文提到的技術(shù)組合可以滿足排放的要求，但是技術(shù)組合會提升系統(tǒng)的復(fù)雜性和增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

為了實(shí)現(xiàn)減排指標(biāo)，德國洪堡（KHD）研發(fā)了安裝在煙室和分解爐中間的管道脫硝爐—PYROCLON? REDOX。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以對現(xiàn)有的水泥生產(chǎn)線進(jìn)行改造也可以安裝在新建的生產(chǎn)線上，最早的兩個(gè)PYROCLON? REDOX系統(tǒng)在中國落地的項(xiàng)目是對現(xiàn)有水泥窯生產(chǎn)線進(jìn)行的脫硝技術(shù)改造。經(jīng)過一年的運(yùn)行，已經(jīng)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了氮氧化物的超低排放的減排目標(biāo)。由于中國對水泥生產(chǎn)線的排放實(shí)行當(dāng)前最嚴(yán)格的監(jiān)管和控制，在這兩個(gè)項(xiàng)目上均采用了PYROCLON? REDOX、和SNCR系統(tǒng)的組合，實(shí)現(xiàn)了氮氧化物（NO_x）＜50mg/Nm³排放量，氨逃逸（NH₃）＜8 mg/Nm³的排放要求，在中國氨逃逸量也被嚴(yán)格的限制，以上指標(biāo)也包含了來自原料的部分氨。

PYROCLON? REDOX管道脫硝爐降低了氮氧化物（NO_x）的排放和氨逃逸，通過對改造后燒成系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)的標(biāo)定和對比，增加洪堡管道脫硝后與改造前的指標(biāo)對比：熟料的產(chǎn)量、電耗、煤耗沒有負(fù)面影響，同時(shí)工廠SNCR系統(tǒng)氨水消耗量有適度的降低。

本文對PYROCLON? REDOX系統(tǒng)研發(fā)、項(xiàng)目調(diào)試、以及在中國的兩個(gè)項(xiàng)目的連續(xù)運(yùn)行進(jìn)行詳細(xì)的說明。

二、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在產(chǎn)品的早期研發(fā)階段，德國洪堡（KHD）的研發(fā)部門對現(xiàn)有文獻(xiàn)中已知的不同參數(shù)煙氣的反應(yīng)及相互影響進(jìn)行了驗(yàn)證和量化。首先，在公司的技術(shù)中心安裝了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，該系統(tǒng)能夠?qū)Φ趸镌诳煽貤l件下的減排進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)。在大量的實(shí)驗(yàn)中，對不同濃度CO、CO₂、水分和窯內(nèi)灰塵對脫硝效率的影響進(jìn)行了測試得出如此結(jié)論：

?? 煙氣中CO的濃度對SNCR還原NO_x脫硝效率具有最強(qiáng)的影響。在CO含量較高的條件下，觀察到NO_x轉(zhuǎn)化為N₂的轉(zhuǎn)化率顯著降低；

?? 煙氣中CO₂的濃度同樣也對NO還原為N₂轉(zhuǎn)化率有重要的影響。在CO含量一定的條件下，CO₂的含量降低將使NO還原為N₂的轉(zhuǎn)化率升高；

?? 窯煙氣中的粉塵對CO還原NO_x的轉(zhuǎn)化具有催化作用，一定量的窯粉塵對CO有效去除NO_x至關(guān)重要；

?? 水分對CO還原NO_x的還原轉(zhuǎn)化具有抑制作用。

三、管道脫硝爐的設(shè)計(jì)

從實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用NO_x還原為N₂轉(zhuǎn)化率基于下列結(jié)論：NO_x減排最佳的條件是煙氣中含有較高的CO、較低CO₂以及足夠窯粉灰作為反應(yīng)催化劑。由于回轉(zhuǎn)窯廢氣中的水含量主要來自回轉(zhuǎn)窯燃料的類型和成分，因此，水分的抑制作用會稍微降低NO的轉(zhuǎn)化率。

為了實(shí)現(xiàn)NO_x最佳的減排目標(biāo)，PYROCLON? REDOX的設(shè)計(jì)采用了布多阿爾反應(yīng)。窯尾煙氣中缺乏氧氣，煙氣中的CO₂和燃料在PYROCLON? REDOX脫硝爐中發(fā)生氣化反應(yīng)以及煤粉的不完全燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生了大量的CO。該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度可以通過調(diào)節(jié)煙氣氧氣含量、管道氣化脫硝爐的生料量、以及燃料煤粉量進(jìn)行控制。另一方面，喂入脫硝爐汽化區(qū)的生料必須控制在最小值，僅維持產(chǎn)生足夠的催化作用即可。在這一階段最重要的是避免由過多的生料分解產(chǎn)生的大量CO₂會抑制脫硝反應(yīng)。

在經(jīng)過管道脫硝還原反應(yīng)環(huán)節(jié)后，回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的熱力型NO_x將有效降低。此外，由于缺乏氧氣，管道氣化爐和分解爐內(nèi)燃料型NO_x的產(chǎn)生也會被抑制，在分解爐內(nèi)產(chǎn)生NO_x也會相應(yīng)減少。

圖1. PYROCLON? REDOX脫硝原理

在PYROCLON? REDOX管道脫硝爐出口（如圖1所示），煙氣將與三次風(fēng)混合，此處煙氣中的CO會與三次風(fēng)中的氧氣進(jìn)行放熱反應(yīng)形成CO₂，反應(yīng)放出的熱量將被生料在分解爐的分解吸熱反應(yīng)所吸收。

圖2. PYROCLON? REDOX脫硝爐

四、管道脫硝的優(yōu)點(diǎn)

德國洪堡（KHD）最先進(jìn)的低氮分解爐具有一次性減少NO_x排放的能力。然而，它也有一個(gè)缺點(diǎn)：為了保證穩(wěn)定的熟料產(chǎn)量，需要在NO_x轉(zhuǎn)化率和其他工藝操作參數(shù)之間折中，這種妥協(xié)自然限制了低氮分解爐NO_x減排潛力。

PYROCLON? REDOX系統(tǒng)將傳統(tǒng)的分解爐分成了兩個(gè)部分：一部分只針對NO_x的脫硝，另一部分作為分解爐使用。因此，前文提到的不足被PYROCLON? REDOX系統(tǒng)所克服，并且可以顯著提高NO_x脫硝的轉(zhuǎn)化率。

從管道脫硝爐產(chǎn)品研發(fā)的最初期， PYROCLON? REDOX系統(tǒng)就被設(shè)計(jì)成獨(dú)立模塊，對現(xiàn)有窯系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，無需擔(dān)心工廠原始設(shè)備供應(yīng)商（如圖2所示）之間的接口和匹配問題，管道脫硝爐能夠與工廠現(xiàn)有燒成系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起。PYROCLON? REDOX系統(tǒng)能夠根據(jù)各個(gè)工廠不同的產(chǎn)能和要求提供不同型號，能為不同燃料提供充足的燃燒停留時(shí)間。因此，PYROCLON? REDOX系統(tǒng)可以使用所有典型的燃料，包括具備一定揮發(fā)分和熱值的各種替代燃料。

不同于傳統(tǒng)分解爐，在PYROCLON? REDOX系統(tǒng)中，分解爐與窯尾煙室沒有直接連通，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)三次風(fēng)管和PYROCLON? REDOX連接處的設(shè)計(jì)就至關(guān)重要。首先，要保證燃燒的殘余煤灰和窯煙粉塵能被穩(wěn)定地懸浮在分解爐中；其次，為了確保生料不會塌料至分解爐偏心錐的連接部分，通過對PYROCLON? REDOX出口的煙氣與三次風(fēng)進(jìn)行CFD有限元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，通過對管道脫硝爐與分解爐不會產(chǎn)生渦流。

為了實(shí)現(xiàn)理想的設(shè)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)氣體和材料流動特性確定最佳的幾何布置。因此，我們進(jìn)行了各種單相和多相CFD分析（見圖3所示）。

圖3. PYROCLON? REDOX脫硝爐CFD分析

在沒有其他現(xiàn)有的減排措施相結(jié)合的情況下，為實(shí)現(xiàn)PYROCLON? REDOX單設(shè)備降低NO_x至200mg/Nm³，對PYROCLON? REDOX的運(yùn)行條件有以下要求：

?? 窯尾煙室氧含量：2～5% ；

?? PYROCLON? REDOX的燃料占比：60% ～100%之間；

?? PYROCLON? REDOX的生料占比：0% ～10%之間。

五、技改案例

目前，水泥生產(chǎn)企業(yè)主要關(guān)注于對現(xiàn)有生產(chǎn)線的升級改造，PYROCLON? REDOX的第一項(xiàng)目也是對原有的窯窯系統(tǒng)進(jìn)行NO_x減排改造。

圖4. PYROCLON? REDOX案例

天瑞衛(wèi)輝（左）和天瑞新登（右）

如前所述，中國環(huán)保法規(guī)允許的排放要求在前幾年大幅提升，此舉推動了中國水泥制造廠開展技術(shù)改造，降低NO_x排放。因此，在2018年，中國天瑞集團(tuán)決定采用PYROCLON? REDOX技術(shù)對現(xiàn)有的兩條5000t/d生產(chǎn)線進(jìn)行升級改造（如圖5所示）。

圖5. NO_x 不同的脫硝方案以及對應(yīng)的排放指標(biāo)

兩條生產(chǎn)線現(xiàn)有燒成系統(tǒng)由SINOMA/TCDRI提供?；赑YROCLON? REDOX采用模塊設(shè)計(jì)，使得PYROCLON? REDOX與現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備很容易實(shí)現(xiàn)對接。兩個(gè)項(xiàng)目安裝和調(diào)試總工期僅7個(gè)月。此外，PYROCLON? REDOX的安裝工作可以在窯的正常生產(chǎn)期間展開。在很多的升級改造案例中，新設(shè)備和原有分解爐系統(tǒng)連接只需要4周。在天瑞公司的兩個(gè)項(xiàng)目中，PYROCLON? REDOX的最終連接和調(diào)試在冬季定期檢修停窯期間完成。

六、技改成果

天瑞兩個(gè)工廠的最終的調(diào)試分別于2019年1月和2月完成。由于日益增加的大氣污染，河南省進(jìn)一步提高了對氣體排放的要求。兩個(gè)項(xiàng)目均面臨著NO_x ≤50mg /Nm³的排放值，單獨(dú)的PYROCLON? REDOX或者SNCR系統(tǒng)都無法滿足超低排放的等級。為了滿足生產(chǎn)許可的排放要求要求，采取PYROCLON? REDOX與現(xiàn)有的SNCR系統(tǒng)相結(jié)合運(yùn)行。

隨著PYROCLON? REDOX+SNCR同時(shí)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，與原來相比，NO_x排放降低了66%，SNCR系統(tǒng)的氨水消耗量降低78%。此外，這兩個(gè)工廠保持了改造之前的熟料產(chǎn)量，電耗和煤耗基本沒有變化。經(jīng)過第一周連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，衛(wèi)輝工廠的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)小幅提升。

在產(chǎn)品研發(fā)階段進(jìn)行采用CFD分析，進(jìn)一步降低了PYROCLON? REDOX流體阻力，減少了由于安裝脫硝爐而導(dǎo)致的壓損。此外，加裝PYROCLON? REDOX增加了分解爐整體的爐容，改善了燃料燃燒條件。

自2019年2月起的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，兩個(gè)改造項(xiàng)目均被天瑞集團(tuán)和德國洪堡（KHD）認(rèn)定成功，滿足了當(dāng)?shù)卣畬O_x ≤50mg /Nm³的排放要求，使其能夠在其他廠家因?yàn)榭諝馕廴径P(guān)停的時(shí)段保持生產(chǎn)。由于氨水用量的降低，氨逃逸低于8 mg/Nm³達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

2019年12月于新登工廠連續(xù)生產(chǎn)5天（120小時(shí)）內(nèi)的NO_x和氨逃逸的排放量（詳見圖7）。在聯(lián)合操作期間（原料磨開機(jī)的情況下），平均NO_x排放值為25 mg /Nm³，平均氨逃逸值約為1mg /Nm³；（原料磨停機(jī)的情況下）平均氨逃逸值約為4.5mg /Nm³。

圖6. PYROCLON? REDOX系統(tǒng)NO_x / NH₃排放數(shù)據(jù)

圖7. PYROCLON? REDOX系統(tǒng)3D圖

七、展望

模塊化的設(shè)計(jì)概念以及與其他NO_x減排技術(shù)的結(jié)合意味著PYROCLON? REDOX能夠提供與SCR系統(tǒng)一樣的NO_x超低排放指標(biāo)，并具有更低的投資和運(yùn)行成本（如圖6所示）。

最早的兩個(gè)項(xiàng)目都實(shí)現(xiàn)了客戶的技改目標(biāo)，天瑞集團(tuán)的工廠能夠持續(xù)達(dá)到NO_x和氨逃逸排放標(biāo)準(zhǔn)，而且不會對產(chǎn)量、電消、熱耗產(chǎn)生負(fù)面影響。

天瑞集團(tuán)和德國洪堡（KHD）共同決定繼續(xù)對天瑞集團(tuán)的生產(chǎn)線進(jìn)行升級，截至2020年，天瑞集團(tuán)與德國洪堡（KHD）已經(jīng)簽署了5項(xiàng)合同包括對滎陽12000tpd（標(biāo)桿工廠）的升級改造。滎陽工廠的安裝階段已經(jīng)收尾，于2020年第一季度進(jìn)行調(diào)試。

中國、韓國、土耳其和印度已經(jīng)在談判或建設(shè)PYROCLON? REDOX的其他項(xiàng)目。在中國境外完成的下一個(gè)項(xiàng)目是在印度新建的熟料生產(chǎn)線，該項(xiàng)目采用一個(gè)PYROCLON? REDOX管道脫硝爐，計(jì)劃于2020年第一季度投產(chǎn)。

作者介紹

Mr. Marc Feiss，自2006年以來一直在德國洪堡（KHD）的工藝技術(shù)部門工作，負(fù)責(zé)熱水泥工藝新技術(shù)的開發(fā)和設(shè)計(jì)。

Mr. Norbert Streit，在德國洪堡(KHD)工作了近30年，擔(dān)任工藝創(chuàng)新總監(jiān)。他主要致力于使用二次燃料、原材料的使用以及節(jié)能減排的技術(shù)解決方案。