安全環(huán)境-環(huán)保技術(shù)之新型干法水泥生產(chǎn)線氮氧化物排放的影響因素

1、新型干法水泥生產(chǎn)線氮氧化物排放的影響因 素隨著國家對(duì)水泥行業(yè)環(huán)保要求越來越嚴(yán),NOx的減排工作成為水泥企業(yè)的首要 任務(wù)之一.河北省?水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)?DB12/2167 2021規(guī)定NOx排放最大不超過260 mg/Nm3北京市?水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)?標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定NO排放最大不超過200 mg/Nm3河南省在?河南省2021年大氣污染防治攻堅(jiān)實(shí)施方 案?中要求水泥行業(yè)2021年10月底前,實(shí)現(xiàn)NOxHF放最大不超過150 mg/Nm3江 蘇省已經(jīng)提出在2021年6月實(shí)現(xiàn)NOx#高排放不超過100 mg/Nm3勺目標(biāo).由此可 見,氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán),這就要求企業(yè)必須切實(shí)行動(dòng)起

2、來,未雨綢繆, 做好技術(shù)探索和儲(chǔ)藏,以滿足和適應(yīng)更嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn).目前國內(nèi)水泥窯脫硝技術(shù)可歸納為：燃燒前治理技術(shù)、燃燒中治理技術(shù)和燃燒后治 理技術(shù),當(dāng)前被普遍采用和認(rèn)可的技術(shù)多以穩(wěn)定入窯生料和穩(wěn)定窯況為前提,分級(jí) 燃燒技術(shù)+SNCR兌硝技術(shù)相結(jié)合的形式.華北是全國大氣污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一,對(duì)水泥企業(yè)的氮氧化物排放也最嚴(yán)格.本 研究選擇了華北區(qū)域內(nèi)氮氧化物排放水平較低的7條水泥生產(chǎn)線,并對(duì)其進(jìn)行測試和分析,探討CO濃度、爐型、噴槍位置等因素對(duì)脫硝效率的影響.1生產(chǎn)線根本情況介紹 7條水泥生產(chǎn)線的根本情況見表1表17條水泥生產(chǎn)線根本情況2測試方法采用德國testo350便攜式煙氣分析儀對(duì)窯尾不同位置的煙

3、氣成分進(jìn)行測試,并與在 線煙氣分析儀監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì).測試煙室和分解爐的高溫?zé)煔獬煞謺r(shí),采用自 制的耐高溫前置過濾取氣裝置,可耐 1 300 C以上高溫.測試的位置以五級(jí)單列旋流噴騰爐為例,煙室部位、分解爐出口、五級(jí)旋風(fēng)筒出口 或四級(jí)旋風(fēng)筒出口、窯尾煙囪等,對(duì)帶有預(yù)燃室和流化床爐的生產(chǎn)線還測試了預(yù)燃 室和流化床爐的出口煙氣成分.旋流噴騰爐煙氣成分測試位置示意見圖 1.圖1旋流噴騰爐煙氣成分測試位置示意煤粉的工業(yè)分析和元素分析參考GB/T 2122021?煤的工業(yè)分析方法?和 GB/T313912021?煤的元素分析?.3測試結(jié)果通過對(duì)7條水泥生產(chǎn)線的窯尾各部位煙氣成分進(jìn)行測試,結(jié)果見表 2.

4、測試結(jié)果表 明,7條生產(chǎn)線中窯尾煙囪氮氧化物排放濃度均低于 160 mg/Nm3其中3條生產(chǎn)線 窯尾煙囪氮氧化物排放濃度低于 100 mg/Nm3遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前國家標(biāo)準(zhǔn)的要求.表2預(yù)熱器各部位管道中煙氣的NOx排放濃度mg/Nm3 注：計(jì)算氮氧化物的排放濃度根據(jù)國標(biāo) GB 4915-2021,基準(zhǔn)含氧量為10%4分析與討論4.1 CO濃度對(duì)NOx#放濃度的影響回轉(zhuǎn)窯會(huì)產(chǎn)生熱力型NOx和燃料型NOx其中以熱力型NOx為主.溫度和氣氛是影響回轉(zhuǎn)窯內(nèi)NOx濃度的兩個(gè)最重要因素,根據(jù)捷里道維奇機(jī)理描述,當(dāng)溫度低于 1 500 C時(shí),熱力型NOW勺生成量很少；高于1 500 C時(shí),溫度每升高100 C,熱

5、力 型NOx的生成速度將增大67倍.所以在保證熟料良好煨燒的前提下要適當(dāng)限制窯 內(nèi)溫度,預(yù)防局部超高溫產(chǎn)生大量 NOx表3是D生產(chǎn)線窯尾煙室氣體成分測試結(jié)果, 可以看出當(dāng)窯尾煙室O2濃度越高過 ?？諝庀禂?shù)大時(shí),CCK度越低,煙氣中NOx濃度越高；反之,CCft度越高,煙氣 中NOxB度越低.窯尾煙室CCft度高可有效抑制和復(fù)原 NOx主反響式為： 2CO+ 2N0- 2CO2 + N2 (1)表3 D生產(chǎn)線不同時(shí)間測試煙室氣體成分結(jié)果由于測試位置在煙室中上部,測試結(jié)果并不一定能準(zhǔn)確和真實(shí)反響窯內(nèi)氣氛情況, 其他因素亦可能影響測試結(jié)果,如窯尾的密閉性、熱生料中含有未燃盡煤粉、煙室 縮口物料沉降掉

6、入煙室等,都可能導(dǎo)致測試結(jié)果的誤差.但通過測試數(shù)據(jù)得到的以 上規(guī)律是值得參考的.如果想進(jìn)一步準(zhǔn)確掌握窯內(nèi)真實(shí)的氣氛情況,建議安裝在線 煙氣分析儀,并通過長期觀察以總結(jié)相關(guān)規(guī)律.此外,窯內(nèi)的復(fù)原氣氛會(huì)增加 SO2的揮發(fā),可能造成系統(tǒng)結(jié)皮或 SO2排放超標(biāo).為 了預(yù)防SO犯量揮發(fā),窯內(nèi)燃燒必須保證氧化氣氛,這也是熟料煨燒的根本要求.同時(shí)降低NO/口 SO詠度是一對(duì)矛盾體,在實(shí)際生產(chǎn)和操作過程中,為了限制窯內(nèi) 氣氛,首先應(yīng)根據(jù)所使用的燃料類型,結(jié)合生料中的硫、堿含量等,應(yīng)選擇良好的、易于調(diào)整的燃燒器；其次保持窯內(nèi)微氧化氣氛,窯尾過量O2建議限制在0.8%2%以預(yù)防結(jié)皮、結(jié)圈的形成,從而保證熟料的質(zhì)量

7、；最后,生料必須易于煨燒,從而 使煨燒溫度盡可能地低.4.2 爐型對(duì)氮氧化物排放濃度的影響分解爐的型式有多種,以旋流噴騰爐、旁置預(yù)燃室爐和流化床爐三種爐型為研究對(duì) 象,A和D生產(chǎn)線分別為典型的旁置預(yù)燃室爐和流化床爐型,重點(diǎn)對(duì)預(yù)燃室出口和 流化床爐出口的煙氣成分進(jìn)行了測試,結(jié)果見表 4.三種不同型式分解爐如圖2所 示.表4 A和D生產(chǎn)線預(yù)燃室或流化床爐出口煙氣成分圖 2三種不同系列的分解爐圖2三種不同系列的分解爐煤粉在預(yù)燃室或流化床爐中燃燒,測試出口的CO濃度一度超過10 000 ppm,說明煤粉發(fā)生不完全燃燒,而不完全燃燒的焦炭和 COtt夠有效抑制和復(fù)原NOx同時(shí)預(yù) 燃室或流化床爐出口的NO

8、X&度均不高于600 mg/Nm3與旋流噴騰爐中部煙氣成分 相比擬低.預(yù)燃室或流化床爐產(chǎn)生的煙氣連同未燃盡的煤粉大量不完全燃燒,通 過煙氣連接管道送入窯尾煙室之上的分解爐內(nèi),與窯的煙氣集合,在上升過程中對(duì) NOx有持續(xù)的復(fù)原作用.因此單從 NOx減排角度來看,旁置預(yù)燃室爐和流化床爐型 均有利于復(fù)原窯尾煙氣中的 NOx4.3 噴槍位置對(duì)SNCR兌硝效率的影響表5為不同生產(chǎn)線噴氨位置.噴氨位置是影響SNC脫硝效率的重要因素之一.普遍 認(rèn)為氨與NOx反響(脫硝)白溫度窗口以8501 000 C為宜,所以在SNC朦統(tǒng)設(shè) 計(jì)之初,噴氨位置大多項(xiàng)選擇擇安裝在分解爐主爐出口,但實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于分

9、解 爐主爐出口的煙氣含有一定濃度 CO尤其是進(jìn)行了分級(jí)燃燒技術(shù)改造后的生產(chǎn)線煙 氣中CO濃度可能會(huì)更高,8501 000 C并不一定是其最正確的脫硝反響溫度.國內(nèi)外 很多研究1-4已說明,CO的濃度會(huì)影響SNCR兌硝的最正確溫度,隨著煙氣中 CO 量升高,最正確的脫硝溫度會(huì)向低溫方向漂移.呂洪坤1等人研究了在氨氮摩爾比為 1.5、氧含量為4%勺條件下,最正確脫硝溫度降低至 800 C以下,降低幅度達(dá)150 C 左右,同時(shí)脫硝的溫度范圍變窄,最高脫硝效率降低至 42%£右.王林偉5等人研 究了氨氮摩爾比為1.5時(shí),當(dāng)添加CO后最正確脫硝溫度約降低75 C,在800 C左右 脫硝效率到達(dá)

10、最大.梁秀進(jìn)6等人的研究結(jié)果同樣說明,添加 CO后會(huì)降低SNCR 的最正確反響溫度,以脫硝效率 50%；基準(zhǔn),無COffi添加COW的溫度由863937 c 變?yōu)?95923 C,溫度范圍變寬.關(guān)于 CO又t SNCR兌硝溫度的影響機(jī)理尚無定論, 有研究說明5可能是C8曾大了 H的活性,如式(2) (4)所示,CCffi耗1個(gè)OH 基團(tuán)的同時(shí)生成兩個(gè) OH進(jìn)而在較低溫度下提升了 OH和NH2的質(zhì)量濃度,促進(jìn)了 低溫下脫硝反響的進(jìn)行.表5各生產(chǎn)線噴氨位置CO+OHCO2+2O2+HO+O H3) NH3+ONH2+QH) 在實(shí)測的7條生產(chǎn)線中,除D生產(chǎn)線外,其余6條生產(chǎn)線的噴氨位置均調(diào)整至 C5

11、 入口前,溫度范圍在830900 C.根據(jù)工廠提供的數(shù)據(jù),將噴氨位置從分解爐主爐出口調(diào)整至C5入口位置或出口位置,脫硝效率提升約10%4.4 脫硝效率4.4.1 分級(jí)燃燒名義脫硝效率 在窯尾預(yù)分解系統(tǒng)采用分級(jí)燃燒來降低 NOx是目前普遍采用的一種舉措,因改造成 本低,幾乎無運(yùn)行費(fèi)用而被廣泛應(yīng)用.分級(jí)燃燒脫硝技術(shù)的原理是利用煤粉燃燒過程形成的貧氧氣氛或富燃料區(qū)域,產(chǎn)生一定量的CO等復(fù)原劑,利用CO來抑制或還原NOx從而減少NOx的排放.由于在分級(jí)燃燒階段,既有 NOx的生成,又有NOx 被復(fù)原,且窯內(nèi)還有局部CO8入分解爐系統(tǒng),所以對(duì)分級(jí)燃燒的脫硝效率很難進(jìn)行 準(zhǔn)確計(jì)算,為了簡化計(jì)算過程,忽略窯

12、內(nèi) CO對(duì)NOx的復(fù)原作用,現(xiàn)進(jìn)行以下定義：式中：“分一一分級(jí)燃燒名義脫硝效率,%W室煙室NOx含量,mg/Nm3W分內(nèi)一一分解爐內(nèi)煤粉燃燒產(chǎn)生的 NOx含量,mg/Nm3WSNCSNCRe氨位置前煙氣 NOx含量,mg/Nm3分解爐內(nèi)產(chǎn)生的NOx以燃料型NOx為主,煤粉是影響分解爐內(nèi)燃料型 NOx生成的重 要因素,由于煤粉燃燒過程復(fù)雜,本文只考慮煤粉的揮發(fā)分和煤粉中的 N元素含量. 煤中的氮在燃燒過程中會(huì)不斷析出,通?？梢苑譃?2個(gè)階段：即揮發(fā)分均相生成階 段和焦炭異相階段7,而對(duì)于燃料型NOx以揮發(fā)分中氮生成NOx約占總?cè)剂闲?NOx的60%80%煤粉細(xì)度也對(duì)NOx的排放濃度有較大影響,一

13、般認(rèn)為煤粉越細(xì),比 外表積越大,NO對(duì)卜放濃度會(huì)越小7-8.煤的工業(yè)分析見表6.表6 7條生產(chǎn)線煤粉揮發(fā)分和N元素分析燃料型NOx除了與揮發(fā)分有關(guān)外,還與煤粉自身的含氮量有較大關(guān)系,同條件下,煤粉含氮量越高,燃料型 NOx成濃度越高.按1 kg實(shí)物煤熱值約23.0 MJ/kg 約產(chǎn)生7.5 Nm3煙氣,考慮尾煤占總?cè)济旱膶?shí)際比例,并根據(jù)燃煤中氮元素含量,水泥窯燃煤中氮與NOxB轉(zhuǎn)化率為20%80%9考慮到分級(jí)燃燒會(huì)抑制煤粉中的氮 向NOx轉(zhuǎn)化,所以本文按轉(zhuǎn)化率30%+算,忽略揮發(fā)分的影響因素由于揮發(fā)分差 距不大,可大致計(jì)算出AG生產(chǎn)線爐內(nèi)煤粉燃燒產(chǎn)生的NOx的濃度.1g據(jù)式5 計(jì)算可得到AGf

14、t產(chǎn)線分級(jí)燃燒名義脫硝效率,如圖 3所示.圖3 AG生產(chǎn)線分級(jí)燃燒名義脫硝效率分級(jí)燃燒名義脫硝效率在11.0%46.3應(yīng)問,AC生產(chǎn)線旁置預(yù)燃室爐,D生產(chǎn)線流 化床爐型,分級(jí)燃燒名義脫硝效率均較高,尤其是A和C生產(chǎn)線,脫硝效率大于40% 而EG£條生產(chǎn)線中,E和G生產(chǎn)線為常規(guī)的旋流噴騰爐,脫硝效率在15%U下.只 有F生產(chǎn)線進(jìn)行了徹底的分級(jí)燃燒改造,且效果很好.主要改造內(nèi)容為將其中兩支 噴煤管移至分解爐錐部,同時(shí)將三次風(fēng)管進(jìn)行了上移.主要原理是下移局部噴煤管 至錐部有利于煤粉在貧氧區(qū)生成 CO同時(shí)由于錐部區(qū)域風(fēng)速較大,有利于煤粉的分 散,并預(yù)防產(chǎn)生局部高溫區(qū)；含 CO的煙氣在上升過程

15、抑制并復(fù)原 NOx上移三次風(fēng) 管有利于延長CC®原NOX勺時(shí)間,降低分解爐出口 NOXB濃度.4.4.2 SNCR名義脫硝效率SNCR勺名義脫硝效率見式6:式中：“SNCR SNC吟義脫硝效率,W8囪 窯尾煙囪 NOx含量,mg/Nm3噴氨量直接影響SNCR勺脫硝效率,但SNCR兌硝效率同時(shí)受噴槍位置和噴射效果氨 水霧化效果、煙氣中CO含量、溫度等因素的影響,氨水噴量越大,噴槍霧化效果 越好,溫度越適宜,SNCR兌硝效果越好.圖4為AG生產(chǎn)線SNCRg義脫硝效率. 表7為各線噸熟料氨水用量,氨水用量是影響SNC咯義脫硝效率的最主要因素之一, D生產(chǎn)線氨水用量最大,對(duì)應(yīng)脫硝效果最為明顯

16、,但從數(shù)據(jù)來看氨水用量與SNCRS義脫硝效率并非呈絕對(duì)的正比,且氨水用量越大,氨逃逸濃度越高.圖4 AG生產(chǎn)線SNC甫義脫硝效率表7 AG生產(chǎn)線脫硝單位熟料氨水用量 kg/t4.4.3 綜合名義脫硝效率綜合名義脫硝效率的計(jì)算并非分級(jí)燃燒名義脫硝效率與SNC咫義脫硝效率之和,筆者認(rèn)為綜合名義脫硝效率以公式(7)來計(jì)算更為合理.由此計(jì)算出綜合名義脫硝效 率,如圖5所示.式中：“綜合一一綜合名義脫硝效率,%圖5 AG生產(chǎn)線綜合名義脫硝效率由圖5可以看出綜合名義脫硝效率在 77.4%93.1%比傳統(tǒng)所說的分級(jí)燃燒+SNCR 脫硝效率要高,一是計(jì)算方法不同,二是與選取這些水泥企業(yè)進(jìn)行了脫硝技術(shù)改造 有關(guān),三是企業(yè)加大了氨水用量.但加大氨水用量很可能造成氨逃逸超標(biāo),由于該 7條生產(chǎn)線缺少精確的窯尾煙囪氨逃逸監(jiān)測數(shù)據(jù),在這里不做深入討論,氨逃逸問 題將可能成為今后脫硝改造研究的重點(diǎn).5結(jié)論本文通過對(duì)華北區(qū)域7條水泥生產(chǎn)線NOx排放濃度進(jìn)行測試分析,研究了影響 NOx 排放的因素,得到以下結(jié)論及脫硝經(jīng)驗(yàn)：(1)窯尾煙室CCft度與NOXB濃度密切相關(guān),CO濃度