新型干法水泥窯氮氧化物治理及控制技術(shù)

發(fā)布日期：2024/10/18    瀏覽量：30    所屬分類：常見問題

本文在分析我國水泥窯氮氧化物的來源及排放量的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)行的環(huán)保標準進行對比評析，提出了采用SNCR法和SCR法脫硝技術(shù)的治理原理及工藝方法。

關(guān)鍵詞：水泥窯；煙氣；氮氧化物控制；

1   水泥窯煙氣特性

2007年，我國水泥總產(chǎn)量為13.8億噸，排放氮氧化物157萬噸，占全國工業(yè)排放總量的15%,已是居火力發(fā)電、汽車尾氣之后的第三大氮氧化物排放大戶?；剞D(zhuǎn)窯是新型干法水泥物料燒成的關(guān)鍵技術(shù)裝備，也是NOx的主要來源。煅燒水泥熟料時生成一氧化氮NO的途徑主要有四種，即 種熱力NOx，它是燃料在水泥窯頭1400℃以上燃燒時會產(chǎn)生大量NOx；第二種瞬發(fā)NOx，它是有碳氫根存在時，于火焰前端瞬發(fā)形成的NOx，一般這種瞬發(fā)NO生成量的比例很小；第三種燃料NO，它是由燃料中所含的化學接合氮所產(chǎn)生的。例如煤中約含有0.5％～2％的氮(按質(zhì)量計)。因為燃料中氮原子的接合能較小，所以在水泥窯系統(tǒng)相對較低溫的分解爐內(nèi)產(chǎn)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，例如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。

在我國新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯上常用的NOx控制技術(shù)主要有以下幾種：一是優(yōu)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(shù)。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。

2   水泥工業(yè)NOx 的排放標準

水泥工業(yè)NOx的排放標準、實際排放數(shù)量國內(nèi)和國外的標準、法規(guī)對水泥工業(yè)NOx 排放的限定指標見表1 。表中1mg/ Nm3 ≈1.8cm3/Nm3 。德國近30年的監(jiān)測結(jié)果顯示,回轉(zhuǎn)窯廢氣中NOx排放濃度大約在300～2200mg/ Nm3。國內(nèi)運行的新型干法水泥窯NOx排放濃度尚缺乏系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù),根據(jù)一些不完全的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,大約在800～1600mg/Nm3 左右,達不到 標GB4915-2004和歐盟標準2000/76/EC規(guī)定的要求。

表1 　國內(nèi)和國外的標準、法規(guī)對排放的限定指標

3   選擇性非催化還原（SNCR）脫硝法      

3.1  SNCR 降低NOx原理

在分解爐的中下部(約950℃) 加入還原劑尿素[ CO(NH2)2 ]或氨水(NH4OH) ,在有部分氧存在的條件下,發(fā)生以下反應過程。

溫度進一步升高,則可能發(fā)生以下的反應:

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(zhuǎn)變?yōu)镹O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(shù)學者認為NHx基還原劑按圖1 所示的途徑反應:

在分解爐的中下部噴入氨水或尿素等容液，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(jīng)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(jīng)過濾后進入流量調(diào)節(jié)閥和流量計,經(jīng)計量的溶液進入噴嘴,在噴嘴內(nèi)與壓縮空氣混合,霧化后噴入分解爐內(nèi)。噴嘴位置在分解爐中部(位置見圖2) ,有多個噴嘴。其關(guān)鍵技術(shù)是噴嘴位置的確定，確定噴嘴位置主要考慮設備內(nèi)部的氣體溫度,尿素還原NOx反應的適宜溫度為950℃～1050℃,此處內(nèi)部氣體溫度約1000℃。噴嘴的結(jié)構(gòu)和噴嘴的質(zhì)量是尿素添加設備的技術(shù)關(guān)鍵,噴嘴的結(jié)構(gòu)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   選擇性催化還原（SCR）脫硝法

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(nèi)，確保水泥窯NOx的排放穩(wěn)定在200mg／Nm3以下(現(xiàn)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(xiàn)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+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

NO2+NO+2NH3→2N2+ 3H2O

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，與噴入塔內(nèi)的氨水或尿素等還原劑相混合，借助反應塔內(nèi)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