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技術 | 水泥窯飽和蒸汽低氨燃燒脫硝技術改造(上)

來源:《青州中聯水泥有限公司、山東卓昶節能科技有限公司》 發布日期:2019/9/29 編輯:徐展迪
核心提示:水泥窯飽和蒸汽低氨燃燒脫硝技術改造(上)

國家《水泥工業大氣污染物排放標準》GB4915—2013的實施,要求水泥生產的NOx排放小于400mg/m3。大部分地方法規規定水泥生產的NOx排放小于300mg/m3,氨逃逸小于10PPm。水泥生產企業SNCR脫硝NOx排放達標,還原劑(氨水)消耗量在2.3~4.6kg/t熟料,氨逃逸在5~10PPm,噸熟料脫硝成本增加2~5元/t,企業每年增加生產成本300~800萬元,水泥企業運行成本增加大,氨逃逸造成二次污染。新技術創新節能降耗,減少二次污染是水泥企業當務之急。如何降低氨水使用量,降低額外增加的生產成本,困擾著各水泥窯企業。


1 NOx的生成機理


水泥窯企業生產過程中煅燒水泥熟料時生成一氧化氮NO的途徑主要有四種:


第一種熱力型NOx,它是燃料在水泥窯頭1400℃以上燃燒時會產生大量NOx;

第二種瞬發型NOx,它是有碳氫根存在時,于火焰前端瞬發形成的NOx,一般這種瞬發NO生成量的比例很小;

第三種燃料NOx,它是由燃料中所含的化學接合氮所產生的。例如煤中約含有0.5%~2%的氮(按質量計)。因為燃料中氮原子的接合能較小,所以在水泥窯系統相對較低溫的分解爐內產生的燃料NOx較多;

第四種生料NOx,它是由窯喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx,例女NH4等。在窯廢氣中NO₂一般僅占NO+NO₂總量的5%以下,NO則占總量的95%以上。


2 水泥企業采用脫硝方式


許多企業采用各種辦法:


一是優化窯和分解爐的燃燒制度。

二是改變配料方案,摻用礦化劑以求降低熟料燒成溫度和時間,改進熟料易燒性。

三是采用低NOx的燃燒器。

四是在窯尾分解爐和管道中的階段燃燒技術。然而,即使把上述四種措施全部采用起來,事實上水泥窯的NOx排放也很難達到400mg/Nm3以下。

采用選擇性非催化還原(SNCR)脫硝法或選擇性催化還原(SCR)脫硝法進一步降低NOx排放的措施是一個非常有效的降低NOx排放的途徑。近年來,SNCR技術的推廣應用大大降低了水泥行業氮氧化物的排放量,但也給水泥企業帶來了一定的成本壓力。


3 選擇性非催化還原(SNCR)脫硝法


3.1 SNCR降低NOx原理


在分解爐的中上部(約950%)加入還原劑尿【CO(NH₂)2】或氨水(NH4OH),在有部分氧存在的條件下,發生以下反應過程。

4H₃+4NO+O₂---4N₂+6H₂O                式(1)

溫度進一步升高,則可能發生以下反應:

4H₃+5O₂---4NO+6H₂0                       式(2)

當溫度低于800℃時,NH₃與NO的反應速度很慢;當溫度高于1050℃時反應式(2)會逐漸起主導作用,當溫度高于1300℃時NH₃轉變為NO的趨勢會變得明顯。


SNCR的反應機理非常復雜,目前仍未能完全了解,多數學者認為NHx基還原劑按圖1所示的途徑反應。

3.2 工藝流程(見圖2)


在分解爐的中下部噴人氨水或尿素等容液,使之與煙氣中的NOx化合,并將其還原成氮氣和水。這樣就可較大幅度地削減NOx的排放,削減效果達30%~85%,NO₂排放濃度可降到200—400mg/Nm3。氨水儲存罐的氨水經過過濾器后,通過氨水添加泵送入分解爐,出添加泵的溶液經過濾后進入流量調節閥和流量計,經計量的溶液進入噴嘴,在噴嘴內與壓縮空氣混合,霧化后噴人分解爐內。噴嘴位置在分解爐中部(位置見圖2),有多個噴嘴。其關鍵技術是噴嘴位置的確定,確定噴嘴位置主要考慮設備內部的氣體溫度,尿素還原NOx反應的適宜溫度為950℃~1050℃,此處內部氣體溫度約1000℃噴嘴的結構和噴嘴的質量是尿素添加設備的技術關鍵,噴嘴的結構設計應該首先保證使尿素溶液具有良好的霧化效果,其次應考慮噴嘴本身處于高溫部位,應具有良好的耐熱性能,不易燒損。

4.1 SCR降低NOx原理


盡管綜合采用上述各種措施包括SNCR在內,確保水泥窯NOx的排放穩定在200mg/Nm₃以下(現行德國標準),但勝任這樣要求的富余能力尚不夠大,即其可靠性與安全性尚須進一步地提高,于是就出現了選擇性非催化還原(SNCR)脫硝法。在預熱器出口的管道上把煙氣(約350℃)引入SCR反應器,在管道上加入還原劑尿素【CO(NH₂)2]或氨水(NH4OH),氮氧化物在催化劑作用下被氨還原為無害的氮氣和水:

4NO+4NH₃+0₃→4N₂+6H₂0

4NH₃+2N0₂+0₂→3N₂+6H₂0

N₂+NO+2NH₃→2N₂+3H₂0


4.2 工藝流程(見圖3)

在窯尾預熱器和增濕塔之間增設一個SCR反應塔,將C1預熱器的廢氣由該反應塔上部導入,與噴人塔內的氨水或尿素等還原劑相混合,借助反應塔內多層接觸劑的催化作用,確保脫氮反應更充分地完成,多層板式催化劑由V₂O5、W₂O₃等活性組分制成的。

來源:《青州中聯水泥有限公司、山東卓昶節能科技有限公司》


作者:呂鵬、李保明、李宗發、郭承凱


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