水泥窯爐脫硝技術(shù)
浙江大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)燃煤大氣污染控制工程技術(shù)中心翁衛(wèi)國(guó)博士
2011水泥環(huán)保大會(huì)上,浙江大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)燃煤大氣污染控制工程技術(shù)中心翁衛(wèi)國(guó)博士作“水泥窯爐脫硝技術(shù)”報(bào)告,以下為報(bào)告內(nèi)容。
背景——NOx控制迫在眉睫
2010年全國(guó)氮氧化物排放量2273.6萬(wàn)噸,主要集中在火電、水泥和機(jī)動(dòng)車行業(yè)。《我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展十二五規(guī)劃綱要》,明確提出“十二五”氮氧化物減排10%的約束性指標(biāo),對(duì)脫硝技術(shù)提出更高的要求。中國(guó)大氣污染已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)!
水泥窯爐概況及NOx排放現(xiàn)狀
2010 年我國(guó)水泥產(chǎn)量為18.68億噸,水泥企業(yè)近5000家。
水泥煅燒產(chǎn)生大量NOx,排放濃度為300mg/Nm3~2200mg/Nm3,每噸熟料約產(chǎn)生1.5kg~1.8kg氮氧化物。
2010年全國(guó)水泥排放氮氧化物約200萬(wàn)噸,約占全國(guó)氮氧化物排放總量的10%, 僅次于電力行業(yè)和機(jī)動(dòng)車尾氣排放,位居第三。
國(guó)際水泥工業(yè)對(duì)NOx排放限制最嚴(yán)格的是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定采用二次燃料的替代率≤60%時(shí),其排放氮氧化物濃度不得超過500mgNO2/Nm³;二次燃料替代率為60%~100%時(shí),不大于200 mgNO2/Nm³。
我國(guó)水泥窯NOx排放標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)現(xiàn)執(zhí)行《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 4915-2004,規(guī)定NOx排放濃度不得超過800mg/m3。杭州地區(qū)規(guī)定不得超過150mg/m³。
水泥行業(yè)與火電行業(yè)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)比較
水泥行業(yè)的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)會(huì)日趨嚴(yán)格!
水泥窯爐NOx控制技術(shù)
1.爐內(nèi)燃燒控制技術(shù)
2.選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)
3.選擇性催化還原(SCR)技術(shù)
爐內(nèi)燃燒控制技術(shù)
控制進(jìn)爐生料的成分;爐窯燃料的類型;提高熱效率;爐窯內(nèi)分級(jí)燃燒;有效的冷卻控制;采用專家控制系統(tǒng);采用低氮燃燒器。[Page]
焙燒器處的分級(jí)燃燒(SCC)
SCC采用分級(jí)加入燃料和空氣,使NOx形成降到最低物料加入方式來降低NOx放熱排放。
在窯爐的進(jìn)料端點(diǎn)燃燃料,并保持還原性氣氛,就可以減低在窯內(nèi)燃燒帶中形成的NOx;通過調(diào)整燃燒空氣量,使得焙燒燃料最初是在還原性氣氛中燃燒,以降低NOx的生成,然后再在氧化氣氛中完全燃燒;通過控制生料的加入量來調(diào)節(jié)焙燒溫度;引入三次風(fēng)來調(diào)整焙燒器中還原性氣氛,使其達(dá)到適宜的還原氣氛,采用這種方式的SCC技術(shù)可降低熱力型和燃料型NOx。
SCC分級(jí)燃燒
美國(guó)Suwannee水泥廠的空氣分級(jí)SCC
帶有轉(zhuǎn)窯入口噴燃器的Polysius MSC-SCC
Florida Rock Industries的空氣-燃料分級(jí)SCC
美國(guó)Titan水泥廠的燃料-空氣順序分級(jí)
SCC分級(jí)燃燒技術(shù)在美國(guó)PH/PC水泥窯上的業(yè)績(jī)
選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)
SNCR工藝的主要化學(xué)反應(yīng)如下:
尿素、NH3均可作為還原劑;
溫度過高氨會(huì)和氧反應(yīng)生成NOx;溫度過低NOx還原反應(yīng)的速率過低,造成原煙氣中有過量的氨逃逸或是生料物料上有氨沉積;
因此必須尋找合理的氨氣噴入位置,達(dá)到適合SNCR反應(yīng)的溫度區(qū)間。
NH3的可噴入位置:
SNCR技術(shù)的工程應(yīng)用
2006年之前,在歐洲至少有18個(gè)水泥窯采用了SNCR脫銷技術(shù),其中15座在德國(guó),2座在瑞典, 一座在瑞士。在這些工程中還原劑多為濃度為25%的氨水,NH3/NOx比值為0.5~0.9, 脫硝效率為10~50%。
瑞典的兩座干法回轉(zhuǎn)水泥窯在安裝SNCR裝置之后,在NH3/NOx比值為1.0~1.2的條件下,脫硝效率達(dá)到80~85%,究其原因是采用了多點(diǎn)噴射技術(shù)(12個(gè)點(diǎn)) 。
選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)
優(yōu)點(diǎn):
1.固定投資少;2.設(shè)備簡(jiǎn)單;3.不用催化劑;4.初期投資少; 5.系統(tǒng)簡(jiǎn)單;6.易于實(shí)施。
缺點(diǎn):
1.脫硝效率低(<40%);
2.運(yùn)行成本較高;
3.對(duì)反應(yīng)溫度要求高,需要準(zhǔn)確控制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度;
4.需要比較高的NH3/NOx值(一般大于1), 部分NH3被產(chǎn)品吸收。
選擇性催化還原(SCR)技術(shù)
基本化學(xué)原理
選擇性催化還原法(SCR)是工業(yè)上應(yīng)用最廣的一種脫硝技術(shù);
理想狀態(tài)下,可使NOx的脫除率達(dá)90%以上, 是目前最好的固定源NOx治理技術(shù);
SCR反應(yīng)溫度一般為300~450℃。
選擇性催化還原技術(shù)(SCR)
SCR可以安裝在水泥窯的兩個(gè)位置:
1.在除塵器的下游-“低塵負(fù)荷”系統(tǒng);
優(yōu)點(diǎn):催化劑壽命長(zhǎng),不易堵塞;
缺點(diǎn):需要對(duì)煙氣進(jìn)行加熱,達(dá)到催化劑的反應(yīng)溫度;
2.最后一個(gè)旋風(fēng)筒下游(不帶反應(yīng)器)-“高塵負(fù)荷”系統(tǒng);
優(yōu)點(diǎn):煙氣溫度適合催化劑要求,無需加熱;
缺點(diǎn):煙氣粉塵濃度高,催化劑容易被堵塞、磨損。
SCR脫硝系統(tǒng)的高粉塵負(fù)荷布置
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有資料報(bào)道,到2008年,全世界一共有3個(gè)水泥廠安裝了SCR 系統(tǒng):德國(guó)Solnhofen水泥廠、意大利 Monselice水泥廠、意大利Calavino水泥廠。
據(jù)資料顯示,其中德國(guó)的Solnhofen水泥廠的SCR系統(tǒng)可靠運(yùn)行了40000小時(shí)。
德國(guó)Solnhofen波特蘭水泥廠中預(yù)熱塔附近的SCR系統(tǒng)
SCR在水泥窯爐上應(yīng)用的問題
煙塵中顆粒物會(huì)堵塞催化劑,必須安裝吹灰器;
煙氣中的堿性物質(zhì)、CaO和SO2會(huì)使催化劑中毒;
如果將SCR安裝在除塵器的下游,必須安裝煙氣再熱器,加熱煙氣到催化劑的最佳工作溫度。
SCR催化劑抗中毒規(guī)律研究
煙氣中的多種組分(如堿金屬)易造成催化劑的中毒,因此需開發(fā)適合水泥窯爐煙氣條件的催化劑配方。
堿土金屬中毒機(jī)理研究
催化劑抗中毒研究路線
抗CaO中毒催化添加劑改性研究
催化劑添加劑抗CaO中毒
添加抗中毒組分后催化劑抗CaO中毒能力極大提升(350℃下,50%提升到80%)。[Page]
催化劑成型制備工藝
催化劑成型制備工藝優(yōu)化
成型催化劑表征
優(yōu)化后催化劑呈高分散狀態(tài),活性組分可較好的分散在TiO2載體上
成型催化劑應(yīng)用
SCR在水泥窯爐上應(yīng)用的問題
煙塵中顆粒物會(huì)堵塞催化劑,必須安裝吹灰器;煙氣中的堿性物質(zhì)、CaO和SO2會(huì)使催化劑中毒;如果將SCR安裝在除塵器的下游,必須安裝煙氣再熱器,加熱煙氣到催化劑的最佳工作溫度。
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