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水泥厂执行超低排放脱硝脱硫解决方案探讨

2018/08/16 亚洲水泥(中国)控股公司技术总监 张振崑 超低排放

亚泥中国第一条生产线于1998年开工建设,从1998年开始在大陆设厂,共建设了12条短窑生产线。公司秉持远东集团“诚、勤、朴、慎·创新”的企业精神,传承台湾经验,致力在大陆建造高环保、高品质、高效率、低成本之“三高一低”的大型现代化模范水泥厂,为企业永续发展奠定良好基础。......

  亚泥中国第一条生产线于1998年开工建设,从1998年开始在大陆设厂,共建设了12条短窑生产线。公司秉持远东集团“诚、勤、朴、慎·创新”的企业精神,传承台湾经验,致力在大陆建造高环保、高品质、高效率、低成本之“三高一低”的大型现代化模范水泥厂,为企业永续发展奠定良好基础。一直以来,公司均以“工业发展与环境保护可并行不悖”的理念,采用世界上最先进的预热预煅式旋窑设备,配合废热回收发电技术,有效节约能源,除引进最先进的环保设备,有效控制污染物排放,使之远低于国家标准外,每单位产品综合能耗亦处于水泥企业能耗的先进行列,至于利用电厂、钢厂的废弃物如水渣、各类矿渣、脱硫石膏、粉煤灰等每年亦高达数百万吨。公司还投入大量的人力、物力,致力于污染物排放治理研究、污水处理、矿山复育和环境绿美化,尽量保留各种原生植物,厂区矿山绿化成果绩效卓著,广受政府及社会专业机构之肯定。亚泥将持续进行脱硝脱硫技术研究改进,尤其在无氨脱硝技术走在水泥行业的前列。亚泥也响应政府号召“要绿水青山、更要蓝天白云”,积极进行探索实践让污染物排放低于国家超低排放标准。

  一、污染物排放控制趋势:

  随着社会的发展,政府对于水泥企业污染物排放要求日趋严格,对水泥企业生产管理、技术水平提出挑战。从下表可以看出,江西省SO2和NOX 污染物排放控制值呈现50%的递减趋势。2019年将实行特别排放标准,可以判断若干年后将实行超低排放标准。

表1.  江西省水泥企业污染物排放执行标准表:

污染物

1997年

2005年

2014年

2019年

SO2(mg/Nm3)

800

400

200

100

NOX(mg/Nm3)

1600

800

400

320

  ※江苏、河北、河南等地方NOX和SO2已经开始执行超低排放标准,分别要求小于100mg/Nm3、50mg/Nm3

  二、超低排放脱硝技术:

  氮氧化物排放治理可谓当前水泥行业大气污染物减排面临的最大难题。目前,国内脱硝技术方案可以分为两大类,一是过程控制(即:低氮燃烧,分级燃烧等改造方案),二是末端治理,主要包括SNCR和SCR,在实际应用中部分企业也采用了过程控制加SNCR脱硝的模式,取得了良好的效果,但是要实现超低排放要求,SCR脱硝更具可行性也更具潜力。

  目前SCR脱硝技术在水泥行业应用面临两大难题,一是粉尘浓度高,导致催化剂堵塞,严重影响使用寿命并带来催化剂中毒风险;二是对温度要求较高,需要将催化还原温度稳定在280度以上才能发挥SCR技术优势。

  江西亚东利用低氮煤粉燃烧系统+SNCR低氨脱硝系统进行超低排放脱硝技术研究,在不增加设备投资的条件下实现了窑尾NOX小于100mg/Nm3的超低排放控制目标。

  三、江西亚东低氮煤粉脱硝(无氨脱硝)技术介绍:

  江西亚东五六线预热器采用洪堡双系列六级旋风筒,其设计采用了超低压损旋风筒、低氮分解炉、煤粉分级燃烧等多项创新技术,三次风管分A、B系列,共用管道式分解炉。窑尾气体含氧气(以下简称O2)量一般为2~3%,经上升风道的低氮燃烧喷煤点与五级旋风筒下来的部分生料混合,此处煤粉在缺氧状态下燃烧产生大量一氧化碳(以下简称CO),其为强还原剂可将窑尾气体中NOX还原成氮气(以下简称N2),CO则被氧化成二氧化碳(以下简称CO2)同时释放出热量,该脱硝反应会持续进行至管道式分解炉中CO耗尽为止;三次风(含O2量19~20%)经三次风管的分解炉喷煤点与五级旋风筒下来的部分生料混合,此处煤粉在正常有氧状态下燃烧,会产生一定量的NOX;窑尾气流经上升风道和三次风管气流汇合经过管道式分解炉上升后再下行进入六级旋风筒。低氮喷煤点至六级旋风筒进口的分解炉管道总长155米,生料在分解炉内热交换时间长,同时低氮燃烧产生的CO与烟气中NOX有充分的反应时间,保障了低氮燃烧的脱硝效果。

图1.最新式低氮分解炉与双系列六级旋风预热器。

  低氮燃烧产生CO与窑尾及分解炉气流中NOX反应生成CO2和N2的化学反应式为: CO+NO→CO2+1/2 N2,此反应受高温促进和生料催化会快速完成。

  从图1可以看出,洪堡短窑系统总共有五个喷煤点:窑头喷煤点、A边及B边低氮燃烧喷煤点、A边及B边三次风管分解炉喷煤点,以上煤粉均采用单独计量称。其喷入煤粉量的比例如表2及图2所示。五段旋风筒下料有两条路径,一条路径进入上升风道,另外一条路径进入三次风管,两条路径下料量的分配比例根据窑内及三次风管通风和温度状况进行灵活调整。低氮燃烧喷煤点的煤粉与五段旋风筒部分生料粉混合后一路上升进入分解炉,避免在喷煤点形成局部高温,同时提高煤粉和生料粉混合的均匀性,促进生料脱酸效果。五段旋风筒下料分料及煤粉与生料粉混合技术系洪堡创新技术,为提高低氮燃烧喷煤点煤粉喷入量创造了有利条件。

  低氮煤粉采用单独煤粉称进行计量控制,可以根据高温风机出口CO及窑尾NOX进行快速准确调整低氮煤粉用量。国内设计分解炉煤粉共用一台煤粉称,煤粉分多个支路喷入分解炉,对于喷入低氮燃烧点的煤粉无法进行稳定准确控制,难以提高低氮煤粉脱硝效率。

  低氮煤粉喷入点距离三次汇合点有25米高度差,当大量煤粉喷入到低氮燃烧点时,CO与NOX进行反应,高差大反应时间长,脱硝效率高。国内传统设计分解炉低氮煤粉喷入点与三次风管汇合点只有2-3米,脱硝反应时间太短造成低氮煤粉脱硝效率低。目前国内部分水泥企业进行脱硝改造将三次风管汇合点抬高,增加脱硝反应时间,对于提高脱硝效率具有明显效果。

  分解炉通风面积与三次风管通风面积的比例将影响低氮燃烧喷煤点与三次风管分解炉喷煤点的煤粉用量、及生料预分解脱酸效果。洪堡最新式低氮分解炉通风面积经适当加大,分解炉通风面积与三次风管通风面积之比由原设计的0.78提高到0.86。将分解炉加大加高,除了有利于增加低氮燃烧煤粉用量来进一步降低NOX排放,还可降低窑头煤粉用量减少热力型NOX生成量,同时确保入窑生料脱酸度高且稳定,为旋窑熟料烧成稳定奠定了基础。

表2. 短窑系统喷煤点及喷煤量比例(%,质量百分比)。

喷 煤 点

喷煤比例

说         明

窑     头

35-40%

窑头煤粉比例低,有利于降低热力型氮氧化物。

A边和B边低氮燃烧喷煤点

40-65%

1.低氮燃烧煤粉比例越高,有利于在还原气氛下生产CO,降低NOX,理论上只要通风效果好,预热器所用煤粉可以全部喷入此位置。

A边和B边三次风管

0-25%

由于三次风管气流与分解炉气流汇合,实际操作过程中,此处喷煤量越少,低氮燃烧器煤粉量就多,有利于降低NOX。

图2. 江西亚东#6窑各喷煤点煤粉用量比例变化趋势图。

  江西亚东五六线设计时加大了分解炉通风面积,低氮燃烧煤粉比例可以进行优化上调,通过不断尝试调整降低窑头煤粉用量,适当增加低氮燃烧煤粉比例到63.9%,在不喷氨水的条件下基本达成窑尾NOX小于400mg/Nm3目标。

四、低氮煤粉燃烧系统+低氨脱硝复合技术达成超低排放NOX控制目标:

  江西亚东五六线将预热器的煤粉全部喷入低氮燃烧点进行脱硝,在不喷入氨水的条件下窑尾NOX排放约在350m/Nm3,将SNCR系统氨水用量逐渐加大,窑尾NOX呈现下降趋势。当SNCR氨水喷量在600-700L/H时,窑尾NOX稳定在80-95mg/Nm3。系统运转稳定,经测试对熟料产量和品质没有负面影响。在不需改造设备的条件下,达成超低排放折算控制目标,吨熟料脱硝氨水费用约1.6元/吨。

图3.超低排放NOX控制测试曲线

  五、其他生产线超低排放控制改造措施:

  江西亚东其他生产线也是采用KHD低氮煤粉燃烧系统,但与五六线存在差异。主要是低氮煤粉燃烧系统没有单独计量称,需进行改造。拟计划每条生产线投资368万元进行煤粉单独计量系统改造,改造完成后进行优化操作,通过提高低氮煤粉脱硝效率,少量喷入SNCR系统氨水,达成超低排放NOX小于100mg/Nm3目标。

  六、超低排放脱硫技术研究:

  江西亚东石灰石SO3含量在0.40~0.50%,窑尾SO2排放浓度约1100mg/Nm3,目前采用氨水+熟石灰脱硫,勉强控制在窑尾SO2在180mg/Nm3(2018年执行国标要求小于200mg/Nm3),采用氨水脱硫受限于氨逃逸指标氨水用量小,需用大量熟石灰进行脱硫。熟石灰加入后引起熟料KH值变化,对于熟料烧成及稳定有负面影响。同时每年购买熟石灰费用高,随着环保日趋严格,生产熟石灰的厂家面临停产整顿,熟石灰供应也日趋紧张。

  2019年江西省实行特别排放政策,要求窑尾SO2排放小于100mg/Nm3,未来可能实行超低排放标准。现有氨水+熟石灰脱硫技术难以满足超低排放要求。针对国内出现的多中脱硫技术江西亚东组织技术人员进行对比分析,具体见下表:

项 次

项 目

方案一:

氨水+熟石灰脱硫法

方案二:

采用石灰石-石膏法

方案三:

外购脱硫剂法

方案四:

热生料自制熟石灰法

1

工艺技术简述

设计熟石灰储存加入系统,氨水用目前的SNCR系统,外购氨水+熟石灰加入到预热器进行脱硫。

利用窑尾收尘回料制成石灰石浆液,让烟气进入脱硫塔内与石灰石浆液充分反应,除去烟气中SO2,此方案在电厂普遍使用

购买专业公司生产脱硫粉剂+脱硫水剂加入到预热器内进行脱硫。存在成本高,且脱硫剂来源无法掌控。

取预热器热生料制备熟石灰进行脱硫,在国内尚无成熟业绩

2

运行维护成本

本底浓度:1100 mg/Nm3,处理后排放保证:≤200 mg/Nm3;运行成本约5-6元/吨熟料

本底浓度:1100 mg/Nm3,处理后排放保证:≤50 mg/Nm3;运行成本约1-2元/吨熟料

本底浓度:1100 mg/Nm3,处理后排放保证:≤100 mg/Nm3,生料磨开机工况下脱硫粉剂与水剂成本约:2.5元/吨熟料,生料磨停机工况下脱硫粉剂与水剂成本约:25.5元/吨熟料.

目前能处理的本底浓度约500 mg/Nm3,处理后排放:≤100 mg/Nm3;运行成本约1.0元/吨熟料。

4

设备投资费用

约100万/套

约1800万/套

约100万/套

约500万/套

  1.方案一和方案三原理相同,均存在成本高及脱硫剂保供问题。

  2.方案二属于成熟的脱硫工艺,可以达成超低排放目标,运行成本比较低,但一次性投资费用大。

  3.方案四运行成本最低,属于最新的脱硫技术,目前在国内尚无成熟业绩,但随着技术进步,此项技术可能会在水泥业广泛应用。

  4.江西亚东石灰石硫含量高,窑尾SO2排放浓度在1000-1300mg/Nm3,要达成超低排放标准需采用石灰石-石膏法进行脱硫。

  5.对于窑尾SO2排放本体值不高的企业可以采用方案一、二、四进行脱硫,或者可以进行组合式脱硫方式降低成本,确保达成窑尾SO2超低排放目标。

  七、总结:

  亚泥中国在污染物排放控制方面投入人力和物力积极进行研究探索,始终将环保作为企业的重大责任,在环保治理方面投入巨资,确保各项污染物排放远低于国家排放标准。亚泥中国在超低排放脱硝脱硫方面取得技术成果及经验也积极向水泥同业进行介绍,为提升水泥行业环保技术水平贡献力量。

(责任编辑:俞垚伊)

文章来源:亚洲水泥(中国)控股公司技术总监 张振崑 ,如若转载,请注明出处:http://www.ccement.com/

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