水泥窑氮氧化物超低排放的技术研究
摘要:水泥行业的超低排放是环保要求,更是行业高质量发展的必然要求。文章简要介绍了几种现行的水泥行业NOx控制技术,结合现有水泥窑NOx超低排放的改造技术如原有系统的精细化调整和改造、各种脱硝技术联合使用等,探讨了水泥行业氮氧化物控制的发展趋势和发展前景。
前言
根据《水泥工业大气污染排放标准》(GB 4915—2013),水泥窑烟气氮氧化物排放浓度应在400mg/m3以内,重点地区企业执行特别排放限值应达到320mg/m3以内。但近年来,随着国家环保政策收紧、管控力度的加大,各地方对于水泥行业氮氧化物(NOx)排放也有更严苛的要求,陆续出台超低排放标准,河北省等地区甚至要求氮氧化物降至50mg/m3。水泥行业的超低排放是环保要求,更是行业高质量发展的必然要求,本文结合现行水泥行业氮氧化物控制技术以及超低排放改造方案,探讨水泥行业氮氧化物的控制及前景。
1 现行水泥行业NOx控制技术
一般来说,水泥生产系统氮氧化物控制技术,从过程控制上分为燃烧前控制燃烧中控制和燃烧后控制;从控制方法上,分为低氮燃烧法、催化还原法、氧化吸收法、等离子法、吸附法、微生物法等,现就水泥行业现行的主流氮氧化物控制技术介绍如下。
1.1 低氮燃烧技术
低氮燃烧技术主要包括低氮燃烧器和分级燃烧技术。低氮燃烧器通过增加燃烧器风道,降低一次空气比例,使煤粉分级燃烧。分级燃烧技术利用助燃风分级或燃料分级加入,减少分解炉内氮氧化物的生成,并通过控制燃烧过程,还原炉内的氮氧化物,可减少氮氧化物产生。
低氮燃烧器和分级燃烧技术都属于燃烧中控制法。低氮燃烧技术的建设对熟料质量影响小,且经济实惠、不产生运行成本,但是该技术最多可以提供20%~30%的脱硝效率,很难将NOx的排放浓度降至500mg/m3以下。
1.2 选择性非催化还原技术(SNCR)
选择性非催化还原技术(SNCR)是利用氨或尿素等作为还原剂,将氮氧化物分解成N2与H2O的方法。新型干法水泥生产线预热器分解炉的工作温度一般在
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800~1 200 ℃,而当温度在850~1 100 ℃时,NH3分子活性增加具有很好的还原反应性,水泥窑SNCR脱硝技术利用预热器分解炉作为反应场完成脱销,目前我们水泥生产线基本上都使用了此技术,但由于注氨位置、氨气混合效果、反应时间、反应温度、氨分子氧化等原因,SNCR脱硝效率较低,一般为50%~60%左右,且为保证脱硝效果需消耗大量的氨水,因而氨逃逸问题无法避免。根据水泥行业排放现状,在不采取任何措施的情况下,排放的NOx基本都会超过800mg/m3,若仅采用SNCR脱硝装置,基本可将NOx的排放浓度降至400mg/m3。
1.3 选择性催化还原技术(SCR)
选择性催化还原技术(SCR)是指烟气中的NOx在催化剂作用下,与还原剂(氨水或者尿素)发生反应生成无毒无害的N2与H2O的方法,其布置方式主要有4种,分别为高温高尘布置、高温中尘布置、中温中尘布置、低温低尘布置,其布置位点图如图1所示。SCR的还原反应原理与SNCR相同,不同的是在催化剂的作用下,通过较低温度下催化剂释放的活性并通过这些活性的转移,达到反应的目的,催化剂本身不参与反应,其作用是降低反应条件(温度)。另外,多孔大比表面积的催化剂对NH3分子具很好有吸附作用,烟气中的氨会被吸附富集在催化剂表面,为还原反应提供了很好的场所,同时也避免了氨逃逸的产生,较SNCR的脱硝效率更高,一般可以达到85% 以上甚至更高,该技术也存在一定问题,水泥窑粉尘较多,易堵塞催化剂,导致其失效,失效的催化剂需作为危废处置,因此会产生较高的运行成本。
据调研,目前国外仅有3 条水泥生产线安装SCR反应器,其中德国索伦霍芬水泥厂是首个采用SCR脱硝的水泥企业,SCR装置安装于预热器废气出口处,经实际操作数据记录表明,当NOx的浓度在1 000~1 600 mg/m3 时,脱氮效率高于60%,脱氮后NOx浓度可达400mg/m3以下。国内SCR技术在水泥行业应用
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发展较慢,应用实例较少,这个主要和SCR所用催化剂适用温度较低以及水泥窑炉粉尘大的特性有关。
2 水泥行业NOx超低排放技术
我国几乎所有的水泥生产线都采取了氮氧化物(NOx)控制排放技术,包括低氮氧化物燃烧技术或单一的SNCR脱硝技术,基本可以实现现行国标《水泥工业大气污染排放标准》(GB 4915—2013)。但是如想进一步减排,甚至达到两位数超低限值,不进行系统改造或投入新系统是难以实现的。根据调研,为实现超低排放,现有技术主要有两大类:一是在原有系统基础上进行改造,优化操作,喷枪位置调整等;二是通过各种脱硝技术联合使用,相互辅佐,取长补短,在保证达标排放的基础上,实现运行成本的最优化。
2.1 优化系统、精准操作
各水泥企业根据自身运行工况,通过对水泥窑原有脱硝系统的精细化调整和改造,实现超低排放,主要措施有调整分解炉煤料布局,精准喷氨控制等。
(1)调整分解炉煤料布局。对于新型干法水泥窑生产系统,NOx产生的主要位置为回转窑与分解炉,回转窑内温度较高,不仅产生燃料型NOx,还会产生大量热力型NOx;分解炉里温度较低(小于10200℃),主要产生燃料型NOx,水泥熟料生产过程中氮氧化物生成部位如图2所示。回转窑中所用的燃料比越大,生成的NOx浓度越高,而分解炉的燃料比越大,则窑内所用燃料比较少,产生的NOx也会相应减少。通过对分解炉工艺环节进行调整,可减少本身NOx 的产生量并稀释和还原窑内烟气中的NOx。
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