水泥窯爐空氣分級燃燒及SNCR煙氣脫硝技術(shù)

  近年來,水泥工業(yè)隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的需要而得到了快速的發(fā)展,但是水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境的污染也在不斷加劇,特別是廢氣中的NOx對大氣環(huán)境的影響已非常嚴重。由此,本文從以下幾個方面系統(tǒng)介紹了我公司治理水泥窯爐煙氣中NOx的煙氣脫硝技術(shù),希望能對水泥窯爐NOx治理起到一定的借鑒作用。

  1 水泥窯爐NOx產(chǎn)生機理

  在新型干法水泥生產(chǎn)工藝中,回轉(zhuǎn)窯和分解爐是水泥物料燒成的兩個關(guān)鍵設(shè)備。然而,回轉(zhuǎn)窯和分解爐也是NOx生成的主要來源。

  在水泥熟料生產(chǎn)過程中,大約有40%左右的煤粉從回轉(zhuǎn)窯窯頭的多通道燃燒器噴入窯內(nèi),并進行高溫燃燒,為煅燒物料的熔融和礦物重結(jié)晶提供足夠的溫度,但物料溫度必須超過1400℃時才會發(fā)生物料熔融和礦物重結(jié)晶現(xiàn)象,因此通常需要將窯頭燃燒器形成的火焰溫度控制在1800~2200℃之間,然而這樣在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)就會生成熱力型NOx和燃料型NOx,且均有較多的形成比例,其中尤以熱力NOx為主。同時,大約60%左右的煤粉進入分解爐,爐內(nèi)的溫度一般在850~1100℃范圍內(nèi),在此溫度下,基本可以不考慮熱力型NOx的形成,主要是燃料型NOx。

  由此,本文系統(tǒng)介紹了我公司治理水泥窯爐煙氣中NOx的空氣分級燃燒及SNCR脫硝技術(shù),希望能對水泥窯爐NOx治理起到一定幫助。

  2 水泥窯爐空氣分級燃燒技術(shù)

  2.1 基本原理

  水泥窯爐空氣分級燃燒是目前最為普遍的降低NOx排放的燃燒技術(shù)之一。其基本原理如圖(一)所示:將燃燒所需的空氣量分成兩級送入,使第一級燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)小于1,燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒,使得燃燒速度和溫度降低,從而降低了熱力型NOx的生成。同時,燃燒生成的CO與NOx發(fā)生還原反應,以及燃料氮分解成中間產(chǎn)物(如NH、CN、HCN和NHx等)相互作用或NOx還原分解,從而抑制了燃料型NOx的生成,具體反應如下:

  2CO + 2NO → 2CO2 + N2     (1)

  NH + NH → N2 + H2              (2)

  NH + NO → N + OH               (3)

  在二級燃燒區(qū)(燃盡區(qū)內(nèi),將燃燒用空氣的剩余部分以二次空氣的形式輸入,成為富氧燃燒區(qū)。此時,空氣量增多,一些產(chǎn)物被氧化生成NOx,但因溫度相對常規(guī)燃燒較低,因而總的NOx生成量不高,具體反應如下:

  CN + O → CO + NO        (4)

  2.2 改造方案及效果

圖1  水泥窯爐空氣分級燃燒技術(shù)示意圖

  如圖1所示,保持原分解爐主體結(jié)構(gòu)不變,在分解爐煙室預留的脫硝還原區(qū)設(shè)置高速噴煤嘴,讓噴入的煤粉在此區(qū)域內(nèi)缺氧燃燒,產(chǎn)生適量的還原氣氛,與窯氣中的NOx發(fā)生反應,將NOx轉(zhuǎn)化為無污染的N2。同時將三次風管入分解爐的部分管道抬高到相應位置。整個窯尾用煤總量與改造前保持一致,只是進入分解爐及還原區(qū)的用煤量不同。

  水泥窯爐經(jīng)過空氣分級燃燒技術(shù)改造后,其脫硝效率一般可達20%左右。

  3 水泥窯爐SNCR煙氣脫硝技術(shù)

  3.1 基本原理

  SNCR脫硝技術(shù)即選擇性非催化還原(Selective Non-Catalytic Reduction,以下簡寫為SNCR)技術(shù),是一種不用催化劑,在850~1100℃的溫度范圍內(nèi),將含氨基的還原劑(如氨水,尿素溶液等)噴入爐內(nèi),將煙氣中的NOx還原脫除,生成氮氣和水的清潔脫硝技術(shù)。

  在合適的溫度區(qū)域,且氨水作為還原劑時,其反應方程式為:

  4NH3 + 4NO + O2→4N2 + 6H2O    (1)

  然而,當溫度過高時,也會發(fā)生如下副反應:

  4NH3 + 5O2→4NO + 6H2O        (2)

  3.2 SNCR脫硝還原劑的選擇

  目前,SNCR脫硝工藝最常用的還原劑有氨水和尿素兩種。然而,在SNCR脫硝系統(tǒng)中,還原劑是最大的消耗品,脫硝還原劑的選擇是整個脫硝工藝中很重要的一個環(huán)節(jié)。

 ?。?)氨水和尿素的特性對比

  氨水的特性:氨水與無水氨都屬于危險化學品。作為脫硝原劑時,通常采用20%~25%濃度的氨水。無色透明液體,易分解放出氨氣,溫度越高,分解速度越快。如果溢出,氨水液體擴散范圍較無水氨小,濃度范圍較易控制,較無水氨相對安全。

  尿素的特性:尿素是白色或淺黃色的結(jié)晶體,易溶于水。不同濃度的尿素水溶液有不同的結(jié)晶溫度。與無水氨及氨水相比,尿素是無毒、無害的化學品,是農(nóng)業(yè)常用的肥料,無爆炸可能,完全沒有危險。

 ?。?)占地面積對比

  氨水作為還原劑時,僅需考慮氨水儲罐的位置,占地面積較小。而尿素作為還原劑時,需要設(shè)計專門的尿素溶液制備系統(tǒng),占地面積較大。

 ?。?)工藝系統(tǒng)對比

  尿素需要經(jīng)過溶解制成50%以下的尿素溶液,需要蒸汽加熱,且存在結(jié)晶等問題。而氨水作為還原劑時,不存在結(jié)晶問題,其工藝系統(tǒng)最簡單、最可靠。

  (4)還原劑利用率對比

  由于水泥窯分解爐內(nèi)溫度正常為850~950℃之間,當氨水作為還原劑噴入分解爐時,水分迅速蒸發(fā)為氣態(tài)而散失在煙氣中,氨則有選擇性地與煙氣中的NOx反應,從而脫除NOx;而尿素溶液作為還原劑噴入分解爐時,水分也迅速蒸發(fā),但尿素粒子并不能立即與煙氣中的NOx反應,還需要在高溫狀態(tài)下進行分解,生成NH3后,再與煙氣中的NOx反應。

  因此,綜合以上分析,筆者認為氨水作為還原劑比較可靠!

  3.3 SNCR脫硝工藝流程

圖2  典型水泥窯爐SNCR工藝流程圖

  如圖2所示,水泥窯爐SNCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)主要包括還原劑儲存系統(tǒng)、循環(huán)輸送模塊、稀釋計量模塊、分配模塊、背壓模塊、還原劑噴射系統(tǒng)和相關(guān)的儀表控制系統(tǒng)等。

  3.4 脫硝效果

  在SNCR脫硝系統(tǒng)中,還原劑噴入水泥窯分解爐內(nèi)合適的溫度區(qū)間,在NH3/NOx摩爾比為1.0~1.8情況下,脫硝效率可達30%~60%左右,氨逃逸≤10ppm。

  4 結(jié)論與展望

  通過以上兩種脫硝技術(shù)的介紹和分析,筆者建議:在水泥窯爐煙氣中NOx初始濃度不高或環(huán)保排放標準要求不高時,采用幾乎沒有運行成本的空氣分級燃燒脫硝技術(shù)比較經(jīng)濟;而在NOx初始濃度較高或環(huán)保排放標準苛刻時,同時使用空氣分級燃燒和SNCR脫硝相結(jié)合脫硝技術(shù),可以最終實現(xiàn)高脫硝效率和低運行成本的兩重目標。

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2024-12-23 04:32:02