水泥熟料生產(chǎn)線低氮燃燒脫銷技術(shù)探討

山東省建設(shè)高壓容器有限公司 蘇偉 · 2015-10-16 14:47 留言

  一、前言

  氮氧化物是燃燒化石燃料時(shí)產(chǎn)生的一種對環(huán)境和人類的生存有極大危害的物質(zhì)。減少這種物質(zhì)的排放,已成為全世界當(dāng)前保護(hù)環(huán)境的重要工作之一。水泥行業(yè)是氮氧化物排放量最大的行業(yè)之一。熟料燒成系統(tǒng)是產(chǎn)生氮氧化物的主要工藝環(huán)節(jié),也是空氣中PM2.5的主要產(chǎn)生根源。在熟料生產(chǎn)過程中,需要燃燒大量的煤炭。其使用標(biāo)準(zhǔn)煤的數(shù)量,已經(jīng)占到熟料產(chǎn)量的11%左右。根據(jù)檢測統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),每生產(chǎn)1t熟料,就會(huì)產(chǎn)生1.5kg~1.8kg氮氧化物。一條生產(chǎn)能力為100萬噸/年熟料的生產(chǎn)線,每年就要向周圍空氣中排放1800t氮氧化物。水泥行業(yè)新的排放標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái),環(huán)保部會(huì)同國家質(zhì)檢總局發(fā)布了《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB4915-2013),水泥生產(chǎn)線氮氧化物排放限值由現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)800mg/m3收嚴(yán)至400mg/m3,重點(diǎn)區(qū)域達(dá)320mg/m3,新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PM排放限值由現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的50mg/m3(水泥窯等熱力設(shè)備)和30mg/m3(水泥磨等通風(fēng)設(shè)備)收嚴(yán)至30mg/m3和20mg/m3。新建企業(yè)自2014年3月1日起執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有企業(yè)則執(zhí)行原標(biāo)準(zhǔn)至2015年7月1日過渡期結(jié)束。

  二、NOx的生成機(jī)理及排放現(xiàn)狀

  1、氮氧化物的概述

  氮氧化物(NOx)是指氮的氧化物的總稱,主要包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等。氮的各種氧化物中,除NO2外,其他均不穩(wěn)定。污染大氣的主要是NO及NO2、N2O,此外,N2O3也是大氣特別是高層大氣的污染物之一。環(huán)境監(jiān)測廢氣中的氮氧化物(NOx)一般是指NO及NO2這兩者的總稱。

  NOx對人、動(dòng)植物具有極大危害性。當(dāng)空氣中的NOx含量達(dá)100~150ppm時(shí),人在0.5~1h內(nèi)就會(huì)引起肺水腫而死亡;當(dāng)空氣中NOx含量2.5ppm時(shí),豆類及西紅柿葉子在7h后就變成白色。NOx也是形成酸雨、酸霧的原因之一,它還能與碳氧化物形成光化學(xué)煙霧。

  水泥廠煙氣中的氮氧化物(NOx)主要為NO和少量的NO2,其中NO占95%以上。

  2、水泥熟料生產(chǎn)線氮氧化物的形成機(jī)理

  ①熱力型NOx(Thermal NOx),為空氣中的N2在高溫下氧化而產(chǎn)生的NOx。產(chǎn)生量主要取決于溫度,低于1350℃幾乎不生成,但溫度超過1500℃將大量生成。

  N2 + O →  NO + N

  O2 + N→ NO + O

  N + OH →NO + H

  其生成量與燃燒溫度、氧氣濃度、高溫區(qū)停留時(shí)間等有關(guān)。

  ②燃料型NOx(Fuel NOx),是燃料中的氮的化合物在燃燒過程中熱分解且氧化而生成。

  揮發(fā)分N中的NH3和HCN的氧化途徑。

  ③快速型NOx(Fenimore NOx),是空氣中的N2與燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)(CH、CH2等)在反應(yīng)區(qū)附近快速生成的NOx,其生成量較少,一般占總NOx的5%以下。

  ④燃燒過程中NOx的三種形成機(jī)理對排放量的貢獻(xiàn)

  3、水泥熟料線系統(tǒng)中NOx的產(chǎn)生部位及形式。

  三、SNCR脫銷技術(shù)與低氮燃燒技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

  1、目前水泥熟料線常用SNCR脫硝技術(shù),該技術(shù)具有以下優(yōu)缺點(diǎn):

  ①系統(tǒng)簡潔,占地少,建設(shè)工程量小;

  ②與生產(chǎn)線的接口改造量小,對水泥生產(chǎn)過程影響不大;

  ③脫硝效率一般在30-60%。

  ④氨的逃逸量約為15mg/Nm3,較高。

  ⑤氨水消耗量較大(0.5-1噸/小時(shí)),運(yùn)行成本高(3-6元/噸熟料)。

  ⑥對分解爐溫度及喂煤量有一定的影響。以25%氨水噴入分解爐,水分蒸發(fā)并升溫需要增加的標(biāo)準(zhǔn)耗煤為90-150kg/h左右。

  2、低氮燃燒技術(shù)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的NOx減排措施,該技術(shù)具有以下優(yōu)缺點(diǎn):

  ①一次性投入,建設(shè)工程量小。不產(chǎn)生運(yùn)行成本。

  ②低氮燃燒脫銷效率在20—40%,特別是對分解爐爐容較大的生產(chǎn)線脫銷效率更加明顯。

  ③低氮燃燒脫銷不影響熟料生產(chǎn)質(zhì)量。

  ④低氮燃燒脫銷改造后中控操作上有很大不同,主要運(yùn)行參數(shù)也有明顯變化,例如:窯尾主排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降,預(yù)熱器出口溫度和負(fù)壓降低,熟料熱耗下降約4-11千卡,電耗由于系統(tǒng)用風(fēng)較少,也相應(yīng)降低。

  ⑤與SNCR脫銷技術(shù)結(jié)合使用,可降低氨水用量,降低脫銷成本。

  通過比較可以明顯看到低氮燃燒技術(shù)的優(yōu)越性,因此,國家工信部在水泥工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見(工信部節(jié)【2010】582號)中提出:現(xiàn)有日產(chǎn)2000噸以上工廠,建設(shè)低NOx設(shè)施,推廣低NOx技術(shù),并達(dá)到NOx排放濃度降低25%的實(shí)施效果。

  四、低氮燃燒技術(shù)介紹

  1、低氮燃燒技術(shù)方法分類

  它通過改變?nèi)紵O(shè)備的燃燒條件來降低NOx的形成,具體來說,是通過調(diào)節(jié)燃燒溫度、煙氣中的氧的濃度、煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間等方法來抑制NOx的生成或還原已生成的NOx。

  低氮燃燒技術(shù)方法主要有:

  ①分解爐分級燃燒;

  ②采用低NOx燃燒器(改變火焰形狀、降低一次風(fēng)量等);

  ③優(yōu)化操作和配料(降低過剩空氣系數(shù)、降低燒成溫度等)。

  2、分解爐分級燃燒技術(shù)原理

  分解爐分級燃燒有兩種形式:空氣分級燃燒和燃料分級燃燒??諝夥旨壢紵侵笇⑷紵璧目諝猓ㄈ物L(fēng))分成兩級送入,使第一級燃燒區(qū)內(nèi)過??諝庀禂?shù)α在0.8左右,燃料先在缺氧富燃料條件下燃燒,使得燃燒速度和溫度降低,且燃燒生成的CO與NO進(jìn)行還原反應(yīng)。將燃燒用的空氣的剩余部分輸入二級燃燒區(qū)內(nèi),保證燃料的完全燃燒。

  燃料分級燃燒是指在煙室和分解爐之間建立還原燃燒區(qū),將原分解爐用燃料的一部分均布到該區(qū)域內(nèi),使其缺氧燃燒以便產(chǎn)生 CO、CH4、H2、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng),將NOx還原成N2等無污染的惰性氣體。此外,煤粉在缺氧條件下燃燒也抑制了自身燃料型NOx產(chǎn)生,從而實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的NOx 減排。

  主要化學(xué)反應(yīng)過程如下:

  2CO + 2NO → N2 + 2CO2

  2H2 + 2NO → N2 + 2H2O

  2NHi + 2NO → N2 + …

  3、燃料分級燃燒技術(shù)方案

  分解爐分級燃燒的原理雖然都一樣,但具體采用的燃料分級燃燒形式,選擇還原區(qū)的位置卻各不相同。常見的分級燃燒還原區(qū)位置有窯尾煙室、煙室上升煙道和分解爐錐部三種。

  各種燃料分級燃燒形式形成還原區(qū)的分煤量也各不一樣,但一般分級燃燒技術(shù)的脫硝效率在15-40%左右。

  4、影響水泥窯NOx生產(chǎn)量的因素

  ①燒成溫度:溫度對熱力型NOx的生成量影響十分明顯,當(dāng)燃

  燒溫度低于1500℃時(shí),熱力型NOx生成量極少,隨著溫度的升高,NOx 的生成量急劇上升。回轉(zhuǎn)窯主燃燒器火焰溫度高達(dá)1700-2000℃,這種高溫下會(huì)促使熱力型NOx的大量生成。

  ②過剩空氣系數(shù):熱力型NOx生成量與氧濃度的平方根成正比,即氧濃度越大,在較高的溫度下會(huì)使氧分子分解所得的氧原子濃度增加,使熱力型NOx生成量也增加。

  ③火焰的性狀:從理論上由于火焰拉長降低了高溫點(diǎn)溫度,可以減少NOx的生成量,但實(shí)際生產(chǎn)中通常是短火焰雖然溫度較高,產(chǎn)生的NO量卻比長火焰的少,因?yàn)榛鹧婧诵牟课蝗鄙倏諝?,產(chǎn)生還原氣氛,且煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間短。

  ④廢氣在窯內(nèi)的停留時(shí)間:氣體在高溫區(qū)的停留時(shí)間對NOx生成量也產(chǎn)生較大的影響。NOx濃度隨著停留時(shí)間的延長而增大。

  5、控制回轉(zhuǎn)窯NOx產(chǎn)生量的措施

  ①精細(xì)化操作:首先采取的措施就是水泥窯系統(tǒng)的精細(xì)化操作,優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的煅燒制度,控制利于降低NOx的火焰性狀和適宜的煅燒溫度;在不影響熟料質(zhì)量的前提下,盡量降低過??諝庀禂?shù),確保原燃料喂料量準(zhǔn)確均勻穩(wěn)定,精心操作、適當(dāng)調(diào)整窯系統(tǒng)的各項(xiàng)操作參數(shù)可獲得相應(yīng)的NOx減排效果。

  ②降低燒成帶溫度:高溫對減少熱力型NOx不利,可以通過調(diào)整配料、添加礦化劑等方法降低燒成溫度以較少窯內(nèi)熱力型NOx的形成。但從熟料和水泥性能方面考慮這類措施并非普遍適用。

  ③采用低NOx燃燒器:使用大推動(dòng)力、一次空氣比例較小的多通道燃燒器,將一次風(fēng)量控制在5%-7%。

  五、總結(jié)

  氮氧化物是主要大氣污染物之一,水泥行業(yè)是繼電力、汽車行業(yè)之后的第三大氮氧化物排放源,“保護(hù)環(huán)境,達(dá)標(biāo)排放”將成為企業(yè)所必須承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任和義務(wù)!但環(huán)保的壓力將直接導(dǎo)致制造成本增加,NOx減排技術(shù)成為當(dāng)前我國水泥企業(yè)的重要研究課題。綜上所述,歸納有以下幾點(diǎn):

  1、NOx減排形勢緊迫,水泥企業(yè)的NOx減排工作勢在必行;

  2、水泥企業(yè)NOx減排的關(guān)鍵是提高思想認(rèn)識(shí),應(yīng)從生產(chǎn)管理、操作運(yùn)行等方面下功夫,盡量減少NOx的產(chǎn)生;

  3、通過優(yōu)化操作和必要低氮燃燒技術(shù)改造,可將NOx濃度控制國家環(huán)保要求以內(nèi)。

編輯:陳宗勤

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