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新型干法水泥窑氮氧化物治理及控制技术
发布日期:2020/04/27    浏览量:44    所属分类:公司新闻

本文在分析我国水泥窑氮氧化物的来源及排放量的基础上,对现行的环保标准进行对比评析,提出了采用SNCR法和SCR法脱硝技术的治理原理及工艺方法。

关键词:水泥窑;烟气;氮氧化物控制;

1   水泥窑烟气特性

2007年,我国水泥总产量为13.8亿吨,排放氮氧化物157万吨,占全国工业排放总量的15%,已是居火力发电、汽车尾气之后的第三大氮氧化物排放大户。回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备,也是NOx的主要来源。煅烧水泥熟料时生成一氧化氮NO的途径主要有四种,即******种热力NOx,它是燃料在水泥窑头1400℃以上燃烧时会产生大量NOx;第二种瞬发NOx,它是有碳氢根存在时,于火焰前端瞬发形成的NOx,一般这种瞬发NO生成量的比例很小;第三种燃料NO,它是由燃料中所含的化学接合氮所产生的。例如煤中约含有0.5%~2%的氮(按质量计)。因为燃料中氮原子的接合能较小,所以在水泥窑系统相对较低温的分解炉内产生的燃料NOx较多;第四种生料NOx,它是由窑喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx,例如NH4等。在窑废气中NO2一般仅占NO+NO2总量的5%以下,NO则占总量的95%以上。

在我国新型干法水泥回转窑上常用的NOx控制技术主要有以下几种:一是优化窑和分解炉的燃烧制度;二是改变配料方案,掺用矿化剂以求降低熟料烧成温度和时间,改进熟料易烧性;三是采用低NOx的燃烧器;四是在窑尾分解炉和管道中的阶段燃烧技术。然而,即使把上述四种措施全部采用起来,事实上水泥窑的NOx排放也很难达到400mg/Nm3以下。采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝法或选择性催化还原(SCR)脱硝法进一步降低NOx排放的措施是一个非常有效的降低NOx排放的途径。

2   水泥工业NOx 的排放标准

水泥工业NOx的排放标准、实际排放数量国内和国外的标准、法规对水泥工业NOx 排放的限定指标见表1 。表中1mg/ Nm3 ≈1.8cm3/Nm3 。德国近30年的监测结果显示,回转窑废气中NOx排放浓度大约在300~2200mg/ Nm3。国内运行的新型干法水泥窑NOx排放浓度尚缺乏系统的统计数据,根据一些不完全的监测数据显示,大约在800~1600mg/Nm3 左右,达不到******标GB4915-2004和欧盟标准2000/76/EC规定的要求。

表1  国内和国外的标准、法规对排放的限定指标

3   选择性非催化还原(SNCR)脱硝法      

3.1  SNCR 降低NOx原理

在分解炉的中下部(约950℃) 加入还原剂尿素[ CO(NH2)2 ]或氨水(NH4OH) ,在有部分氧存在的条件下,发生以下反应过程。

温度进一步升高,则可能发生以下的反应:

当温度低于800℃时,NH3与NO的反应速度很慢;当温度高于1050℃时反应式(2)会逐渐起主导作用,当温度高于1300℃时NH3转变为NO的趋势会变得明显。

SNCR 的反应机理非常复杂,目前仍未能完全了解,多数学者认为NHx基还原剂按图1 所示的途径反应:

在分解炉的中下部喷入氨水或尿素等容液,使之与烟气中的NOx化合,并将其还原成氮气和水。这样就可较大幅度地削减NOx的排放,削减效果达30%~85%,NO2排放浓度可降到200~400mg/Nm3。氨水储存罐的氨水经过过滤器后,通过氨水添加泵送入分解炉,出添加泵的溶液经过滤后进入流量调节阀和流量计,经计量的溶液进入喷嘴,在喷嘴内与压缩空气混合,雾化后喷入分解炉内。喷嘴位置在分解炉中部(位置见图2) ,有多个喷嘴。其关键技术是喷嘴位置的确定,确定喷嘴位置主要考虑设备内部的气体温度,尿素还原NOx反应的适宜温度为950℃~1050℃,此处内部气体温度约1000℃。喷嘴的结构和喷嘴的质量是尿素添加设备的技术关键,喷嘴的结构设计应该首先保证使尿素溶液具有良好的雾化效果,其次应考虑喷嘴本身处于高温部位,应具有良好的耐热性能,不易烧损。

4   选择性催化还原(SCR)脱硝法

4.1  SCR 降低NOx原理

尽管综合采用上述各种措施包括SNCR在内,确保水泥窑NOx的排放稳定在200mg/Nm3以下(现行德国标准),但胜任这样要求的富余能力尚不够大,即其可靠性与安全性尚须进一步地提高,于是就出现了选择性非催化还原(SNCR)脱硝法。在预热器出口的管道上把烟气(约350℃)引入SCR反应器,在管道上加入还原剂尿素[ CO(NH2)2 ]或氨水(NH4OH), 氮氧化物在催化剂作用下被氨还原为无害的氮气和水:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

NO2+NO+2NH3→2N2+ 3H2O

在窑尾预热器和增湿塔之间增设一个SCR反应塔,将C1预热器的废气由该反应塔上部导入,与喷入塔内的氨水或尿素等还原剂相混合,借助反应塔内多层接触剂的催化作用,确保脱氮反应更充分地完成,多层板式催化剂由V2O5、W2O3等活性组分制成


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