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水泥窑炉空气分级燃烧及SNCR烟气脱硝技术

2012/11/09 SNCR脱硝

本文从以下几个方面系统介绍了我公司治理水泥窑炉烟气中NOx的烟气脱硝技术,希望能对水泥窑炉NOx治理起到一定的借鉴作用。......

  近年来,水泥工业随着现代城市建设的需要而得到了快速的发展,但是水泥生产过程中产生的废气对环境的污染也在不断加剧,特别是废气中的NOx对大气环境的影响已非常严重。由此,本文从以下几个方面系统介绍了我公司治理水泥窑炉烟气中NOx的烟气脱硝技术,希望能对水泥窑炉NOx治理起到一定的借鉴作用。

  1 水泥窑炉NOx产生机理

  在新型干法水泥生产工艺中,回转窑和分解炉是水泥物料烧成的两个关键设备。然而,回转窑和分解炉也是NOx生成的主要来源。

  在水泥熟料生产过程中,大约有40%左右的煤粉从回转窑窑头的多通道燃烧器喷入窑内,并进行高温燃烧,为煅烧物料的熔融和矿物重结晶提供足够的温度,但物料温度必须超过1400℃时才会发生物料熔融和矿物重结晶现象,因此通常需要将窑头燃烧器形成的火焰温度控制在1800~2200℃之间,然而这样在回转窑内就会生成热力型NOx和燃料型NOx,且均有较多的形成比例,其中尤以热力NOx为主。同时,大约60%左右的煤粉进入分解炉,炉内的温度一般在850~1100℃范围内,在此温度下,基本可以不考虑热力型NOx的形成,主要是燃料型NOx。

  由此,本文系统介绍了我公司治理水泥窑炉烟气中NOx的空气分级燃烧及SNCR脱硝技术,希望能对水泥窑炉NOx治理起到一定帮助。

  2 水泥窑炉空气分级燃烧技术

  2.1 基本原理

  水泥窑炉空气分级燃烧是目前最为普遍的降低NOx排放的燃烧技术之一。其基本原理如图(一)所示:将燃烧所需的空气量分成两级送入,使第一级燃烧区内过量空气系数小于1,燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧,使得燃烧速度和温度降低,从而降低了热力型NOx的生成。同时,燃烧生成的CO与NOx发生还原反应,以及燃料氮分解成中间产物(如NH、CN、HCN和NHx等)相互作用或NOx还原分解,从而抑制了燃料型NOx的生成,具体反应如下:

  2CO + 2NO → 2CO2 + N2     (1)

  NH + NH → N2 + H2              (2)

  NH + NO → N + OH               (3)

  在二级燃烧区(燃尽区内,将燃烧用空气的剩余部分以二次空气的形式输入,成为富氧燃烧区。此时,空气量增多,一些产物被氧化生成NOx,但因温度相对常规燃烧较低,因而总的NOx生成量不高,具体反应如下:

  CN + O → CO + NO        (4)

  2.2 改造方案及效果

图1  水泥窑炉空气分级燃烧技术示意图

  如图1所示,保持原分解炉主体结构不变,在分解炉烟室预留的脱硝还原区设置高速喷煤嘴,让喷入的煤粉在此区域内缺氧燃烧,产生适量的还原气氛,与窑气中的NOx发生反应,将NOx转化为无污染的N2。同时将三次风管入分解炉的部分管道抬高到相应位置。整个窑尾用煤总量与改造前保持一致,只是进入分解炉及还原区的用煤量不同。

  水泥窑炉经过空气分级燃烧技术改造后,其脱硝效率一般可达20%左右。

  3 水泥窑炉SNCR烟气脱硝技术

  3.1 基本原理

  SNCR脱硝技术即选择性非催化还原(Selective Non-Catalytic Reduction,以下简写为SNCR)技术,是一种不用催化剂,在850~1100℃的温度范围内,将含氨基的还原剂(如氨水,尿素溶液等)喷入炉内,将烟气中的NOx还原脱除,生成氮气和水的清洁脱硝技术。

  在合适的温度区域,且氨水作为还原剂时,其反应方程式为:

  4NH3 + 4NO + O2→4N2 + 6H2O    (1)

  然而,当温度过高时,也会发生如下副反应:

  4NH3 + 5O2→4NO + 6H2O        (2)

  3.2 SNCR脱硝还原剂的选择

  目前,SNCR脱硝工艺最常用的还原剂有氨水和尿素两种。然而,在SNCR脱硝系统中,还原剂是最大的消耗品,脱硝还原剂的选择是整个脱硝工艺中很重要的一个环节。

  (1)氨水和尿素的特性对比

  氨水的特性:氨水与无水氨都属于危险化学品。作为脱硝原剂时,通常采用20%~25%浓度的氨水。无色透明液体,易分解放出氨气,温度越高,分解速度越快。如果溢出,氨水液体扩散范围较无水氨小,浓度范围较易控制,较无水氨相对安全。

  尿素的特性:尿素是白色或浅黄色的结晶体,易溶于水。不同浓度的尿素水溶液有不同的结晶温度。与无水氨及氨水相比,尿素是无毒、无害的化学品,是农业常用的肥料,无爆炸可能,完全没有危险。

  (2)占地面积对比

  氨水作为还原剂时,仅需考虑氨水储罐的位置,占地面积较小。而尿素作为还原剂时,需要设计专门的尿素溶液制备系统,占地面积较大。

  (3)工艺系统对比

  尿素需要经过溶解制成50%以下的尿素溶液,需要蒸汽加热,且存在结晶等问题。而氨水作为还原剂时,不存在结晶问题,其工艺系统最简单、最可靠。

  (4)还原剂利用率对比

  由于水泥窑分解炉内温度正常为850~950℃之间,当氨水作为还原剂喷入分解炉时,水分迅速蒸发为气态而散失在烟气中,氨则有选择性地与烟气中的NOx反应,从而脱除NOx;而尿素溶液作为还原剂喷入分解炉时,水分也迅速蒸发,但尿素粒子并不能立即与烟气中的NOx反应,还需要在高温状态下进行分解,生成NH3后,再与烟气中的NOx反应。

  因此,综合以上分析,笔者认为氨水作为还原剂比较可靠!

  3.3 SNCR脱硝工艺流程

图2  典型水泥窑炉SNCR工艺流程图

  如图2所示,水泥窑炉SNCR烟气脱硝工艺系统主要包括还原剂储存系统、循环输送模块、稀释计量模块、分配模块、背压模块、还原剂喷射系统和相关的仪表控制系统等。

  3.4 脱硝效果

  在SNCR脱硝系统中,还原剂喷入水泥窑分解炉内合适的温度区间,在NH3/NOx摩尔比为1.0~1.8情况下,脱硝效率可达30%~60%左右,氨逃逸≤10ppm。

  4 结论与展望

  通过以上两种脱硝技术的介绍和分析,笔者建议:在水泥窑炉烟气中NOx初始浓度不高或环保排放标准要求不高时,采用几乎没有运行成本的空气分级燃烧脱硝技术比较经济;而在NOx初始浓度较高或环保排放标准苛刻时,同时使用空气分级燃烧和SNCR脱硝相结合脱硝技术,可以最终实现高脱硝效率和低运行成本的两重目标。

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