水泥厂NOx减排技术

水泥厂 NOx 减排技术
Reducing NOx emission in Cement Plant
李东风、李安平 Li Dongfeng, Li Anping
（南京凯盛水泥技术工程有限公司，210036） (Nanjing Triumph Cement Technology Engineering Co., Ltd, 210036)
摘要：本文首先从氮氧化合物形成机理进行探讨，并且对水泥行业采用的 NOx 减排技术进 行阐述，特别推出了一种投资省、运行成本低、脱氮效果好的新型脱氮型分解炉技术。 Abstract: In the present paper the NOx formation is discussed, and some De-NOx examples are given for cement industry. A new Low-NOx precalciner with lower invest, lower running cost and higher efficiency of De-NOx is presented. 关键词：氮氧化合物、减排、环保、脱氮型分解炉 Keywords: NOx, Reduction, Pollution, Low-NOx precalciner 1 引言 根据 《中华人民共和国大气污染防治法》 我国制定了 ， 《水泥工业大气污染物排放标准》 (GB 4915-2004)。 《标准》规定，新建生产线自 2005 年 1 月 1 日起及现有生产线自 2010 年 1 月 1 日起，水泥窑及窑磨一体机的氮氧化合物(以 NO2 计)排放浓度必须小于 800mg/m³(指烟气中 O2 含量 10％状态下的排放浓度)。 新型干法生产线在没有采取 NOx 减排措施的情况下， NOx 排放量为 300~ 2200mg/m³， 因此我国还有相当数量的生产线要达到 800mg/m³的排放要求还是非常困难的。 作为水泥工 业技术人员，有必要研究氮氧化合物形成机理，积极在水泥行业推广适用的、经济有效的 NOx 减排技术。 2 氮氧化合物形成机理 氮氧化合物 NOx 是 NO、NO2 和 N2O 等的总称，水泥窑 NOx 排放的主要成分是 NO 和 NO2，其中 NO 占氮氧化合物总量的 95%左右，NO2 大约为 5%左右。燃料燃烧过程中 主要存在 3 种氮氧化合物形成方式， 即热力型(Thermal or Zeldovich NO)、 瞬态型(Prompt or Fenimore NO)和燃料氮型(Fuel NO)[1]。一般来说，在水泥生产过程中，瞬态型氮氧化合物 可以忽略。

热力型 NO 是当燃烧气体在 1600℃以上高温区有足够停留时间和 O2 时，氮分子 N2 和 氧原子 O 以及氮原子 N 和氧分子 O2 化合生成的，当气体中有水分子存在时，氮原子 N 与 OH 也将生成热力型的 NO。由于氧分子 O2 的分裂随着温度升高急剧加快，所以 N2 与 O 的 反应速度系数 K 值也跟着快速增大， 的形成速度和形成量也随温度升高而大幅度地增加。 NO Bowman[2]给出了热力型 NO 的相关反应速率常数 K： 反应式 O + N2 → NO + N N + NO → N2 + O N + O2 → NO + O O + NO → O2 + N N + OH → NO + H NO + H → N + OH 速率常数(m³/mol.s) 7.6×10 ×exp(-38000/T) 1.6×10
7 3 3 7 8 7
温度(K) 2000~5000 300~5000 300~3000 1000~3000 300~2500 1000~3000
6.4×10 ×T×exp(-3150/T) 1.5×10 ×T×exp(-19500/T) 3.3×10
2.0×10 ×exp(-23650/T)
由燃料氮形成的 NO 量主要与煤中焦炭部分的氮含量、 挥发性的氮含量和反应条件如温 度、过剩空气系数等因素有关。燃料氮的化学结合能较低，在 600～800℃的较低温度区就 能形成 NO。所以燃料在水泥回转窑分解炉的燃烧过程中也会产生 NO。燃料中的氮根据火 焰回流区的形成情况会产生不同数量的 NO，从而影响总的 NOx 排放量。未燃尽的焦炭颗 粒由火焰内部回流区逸出，在氧化气氛条件下释放出氮并形成 NO。挥发分在回转窑中仅需 极短的时间内便能分解析出， 挥发性的氮几乎都是在火焰核心释放出来， 火焰核心处一般都 缺氧，并存在较高的原子团(如 CO、H2)浓度，形成的 NO 快速被还原成 N2，在新一代低 NOx 燃烧器上挥发性的氮形成的 NO 非常少。 同济大学朱彤等人通过数值计算[3]， 证 明在不同的过剩空气系数下， NOx 生成量也 不同。当过剩空气系数为 1.05 时所生成的 NOx 最多。当过剩空气系数小于 1.0 时， 会造成不完全燃烧，燃料的热量不能全部释 放出来，产生大量的 CO，而 CO 会还原所 生成的 NOx，所以此时 NOx 排放很少。当 过剩空气系数远大于 1.0 时， 燃料燃烧所释 放出来热量会被过量的空气和烟气吸收，火 焰温度受到限制，使得 NOx 浓度有所下降。 3 水泥厂 NOx 减排技术 3.1 窑头用低 NOx 燃烧器 过剩空气系数对 NOx 排放的影响

回转窑中的热力型 NOx 主要是由窑头燃烧器产生的，提高一次风喷出速度，提高一次 风喷出动量，降低一次风用量，提高卷吸高温二次风的能力，可以显著降低回转窑中 NOx 的生成量。 3.2 选择性非催化还原技术（SNCR） 选择性非催化还原技术是一种对燃料燃烧后含 NOx 烟气进行的脱硝技术。在没有催化 剂的情况下， 在一定的温度范围内向烟气中喷入一定量的还原剂 （如氨水， 碳氢化合物等） ， 把烟气中的氮氧化物还原成氮气。实践证明，向窑尾高温废气中喷氨是最有效的 NOx 减排 技术之一，但是该方法实际运行费用比较高，该技术在我国水泥行业普及还有一定的困难。 3.3 选择性催化还原技术(SCR) 选择性催化还原法就是在固体催化剂存在下，利用各种还原性气体 （如 H2、 CO、烃类、 NH3）和 NO 反应使之转化为 N2 的方法。 NH3 做还原剂时， 以 金属氧化物〔如 V2O5、MnO2 等〕是最常用的 SCR 工业催化剂。催化剂是影响 NOx 脱除效率的重要因素，除此之外， 温度、还原剂浓度、催化剂种类和量等对脱氮效果影响显著。由于选择性催化还原法运行成 本比较高，而且影响因素复杂，目前该项技术在水泥厂的应用仍处于研究当中。 3.4 新型脱氮型分解炉技术 为了降低水泥生产线的氮氧化合物的排放， 世界各水泥公司都在致力研究水泥窑脱氮技 术。 有一种技术是将三次风分出一根管道进入分解炉主体的上部， 目的是希望分解炉下部实 现还原气氛， 从而具有在分解炉内将回转窑和分解炉内产生的氮氧化物还原， 降低氮氧化物 的排放。这种技术在一定程度上实现了脱氮的功能，但是该技术在实施过程中，由于没有考 虑到燃料在分解炉内燃烧是需要时间的，也就是说燃料从分解炉喷入后一般要经过数秒钟 （燃料种类不同燃尽时间也不同） 的燃烧才能燃尽， 虽然三次风由一根脱氮风管分一部分三 次风到分解炉的上部， 但是燃料在进入分解炉后的一段空间里， 由于燃料并不能在下部全部 燃烧，所以分解炉下部仍然存在氧化气氛区，氮氧化合物不能在该区域内脱氮，造成该分解 炉脱氮效果偏低。事实证明，这种分解炉技术很难满足氮氧化合物的排放要求。 南京凯盛水泥技术工程有限公司发明了一种多进风式脱氮型分解炉（如下图所示）。该 分解炉 C 的下部与窑尾上升烟道相接，窑尾气体 Kg 由分解炉下部进入，燃料 F 由分解炉 下锥部喷入， 物料 M 由分解炉下部喂入， 入炉三次风被分成分 解炉的下部风 Tg1、中部风 Tg2 和上部风 Tg3，燃料燃烧后的气 体 Tgo 由分解炉上部排出。 燃料 F 喷入分解炉后，由于燃料燃尽时间比较长，在燃料 通过分解炉由下至上的过程中是逐步燃烧的，为了保证分解炉 内处于还原气氛，采用分步供风的方式，来满足燃料的逐步燃 烧。每路进炉的三次风管上都装设有阀门，用以控制分解炉内 各部位处于还原气氛。理论和实验研究表明，当燃料燃烧在空