水泥熟料生產(chǎn)線低氮燃燒脫銷技術(shù)探討

  一、前言

  氮氧化物是燃燒化石燃料時(shí)產(chǎn)生的一種對(duì)環(huán)境和人類的生存有極大危害的物質(zhì)。減少這種物質(zhì)的排放，已成為全世界當(dāng)前保護(hù)環(huán)境的重要工作之一。水泥行業(yè)是氮氧化物排放量最大的行業(yè)之一。熟料燒成系統(tǒng)是產(chǎn)生氮氧化物的主要工藝環(huán)節(jié)，也是空氣中PM2.5的主要產(chǎn)生根源。在熟料生產(chǎn)過程中，需要燃燒大量的煤炭。其使用標(biāo)準(zhǔn)煤的數(shù)量，已經(jīng)占到熟料產(chǎn)量的11%左右。根據(jù)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，每生產(chǎn)1t熟料，就會(huì)產(chǎn)生1.5kg~1.8kg氮氧化物。一條生產(chǎn)能力為100萬(wàn)噸/年熟料的生產(chǎn)線，每年就要向周圍空氣中排放1800t氮氧化物。水泥行業(yè)新的排放標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，環(huán)保部會(huì)同國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布了《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB4915-2013)，水泥生產(chǎn)線氮氧化物排放限值由現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)800mg/m³收嚴(yán)至400mg/m³，重點(diǎn)區(qū)域達(dá)320mg/m³，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PM排放限值由現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的50mg/m³(水泥窯等熱力設(shè)備)和30mg/m³(水泥磨等通風(fēng)設(shè)備)收嚴(yán)至30mg/m³和20mg/m³。新建企業(yè)自2014年3月1日起執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有企業(yè)則執(zhí)行原標(biāo)準(zhǔn)至2015年7月1日過渡期結(jié)束。

  二、NO_x的生成機(jī)理及排放現(xiàn)狀

  1、氮氧化物的概述

  氮氧化物（NO_x）是指氮的氧化物的總稱，主要包括NO、NO₂、N₂O、N₂O₃、N₂O₄、N₂O₅等。氮的各種氧化物中，除NO₂外，其他均不穩(wěn)定。污染大氣的主要是NO及NO₂、N₂O，此外，N₂O₃也是大氣特別是高層大氣的污染物之一。環(huán)境監(jiān)測(cè)廢氣中的氮氧化物（NO_x）一般是指NO及NO₂這兩者的總稱。

  NO_x對(duì)人、動(dòng)植物具有極大危害性。當(dāng)空氣中的NO_x含量達(dá)100～150ppm時(shí)，人在0.5～1h內(nèi)就會(huì)引起肺水腫而死亡；當(dāng)空氣中NO_x含量2.5ppm時(shí)，豆類及西紅柿葉子在7h后就變成白色。NO_x也是形成酸雨、酸霧的原因之一，它還能與碳氧化物形成光化學(xué)煙霧。

  水泥廠煙氣中的氮氧化物（NO_x）主要為NO和少量的NO₂，其中NO占95%以上。

  2、水泥熟料生產(chǎn)線氮氧化物的形成機(jī)理

  ①熱力型NO_x（Thermal NO_x），為空氣中的N2在高溫下氧化而產(chǎn)生的NO_x。產(chǎn)生量主要取決于溫度，低于1350℃幾乎不生成，但溫度超過1500℃將大量生成。

  N₂ + O →  NO + N

  O₂ + N→ NO + O

  N + OH →NO + H

  其生成量與燃燒溫度、氧氣濃度、高溫區(qū)停留時(shí)間等有關(guān)。

  ②燃料型NO_x（Fuel NOx）,是燃料中的氮的化合物在燃燒過程中熱分解且氧化而生成。

  揮發(fā)分N中的NH₃和HCN的氧化途徑。

  ③快速型NOx（Fenimore NO_x），是空氣中的N₂與燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)（CH、CH₂等）在反應(yīng)區(qū)附近快速生成的NO_x，其生成量較少，一般占總NO_x的5%以下。

  ④燃燒過程中NO_x的三種形成機(jī)理對(duì)排放量的貢獻(xiàn)

  3、水泥熟料線系統(tǒng)中NO_x的產(chǎn)生部位及形式。

  三、SNCR脫銷技術(shù)與低氮燃燒技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

  1、目前水泥熟料線常用SNCR脫硝技術(shù)，該技術(shù)具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

  ①系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，占地少，建設(shè)工程量??；

  ②與生產(chǎn)線的接口改造量小，對(duì)水泥生產(chǎn)過程影響不大；

  ③脫硝效率一般在30-60%。

  ④氨的逃逸量約為15mg/Nm³，較高。

  ⑤氨水消耗量較大（0.5-1噸/小時(shí)），運(yùn)行成本高（3-6元/噸熟料）。

  ⑥對(duì)分解爐溫度及喂煤量有一定的影響。以25%氨水噴入分解爐，水分蒸發(fā)并升溫需要增加的標(biāo)準(zhǔn)耗煤為90-150kg/h左右。

  2、低氮燃燒技術(shù)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的NO_x減排措施，該技術(shù)具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

  ①一次性投入，建設(shè)工程量小。不產(chǎn)生運(yùn)行成本。

  ②低氮燃燒脫銷效率在20—40%，特別是對(duì)分解爐爐容較大的生產(chǎn)線脫銷效率更加明顯。

  ③低氮燃燒脫銷不影響熟料生產(chǎn)質(zhì)量。

  ④低氮燃燒脫銷改造后中控操作上有很大不同，主要運(yùn)行參數(shù)也有明顯變化，例如：窯尾主排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，預(yù)熱器出口溫度和負(fù)壓降低，熟料熱耗下降約4-11千卡，電耗由于系統(tǒng)用風(fēng)較少，也相應(yīng)降低。

  ⑤與SNCR脫銷技術(shù)結(jié)合使用，可降低氨水用量，降低脫銷成本。

  通過比較可以明顯看到低氮燃燒技術(shù)的優(yōu)越性，因此，國(guó)家工信部在水泥工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見（工信部節(jié)【2010】582號(hào)）中提出：現(xiàn)有日產(chǎn)2000噸以上工廠，建設(shè)低NO_x設(shè)施，推廣低NO_x技術(shù)，并達(dá)到NO_x排放濃度降低25%的實(shí)施效果。

  四、低氮燃燒技術(shù)介紹

  1、低氮燃燒技術(shù)方法分類

  它通過改變?nèi)紵O(shè)備的燃燒條件來(lái)降低NO_x的形成，具體來(lái)說(shuō)，是通過調(diào)節(jié)燃燒溫度、煙氣中的氧的濃度、煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間等方法來(lái)抑制NO_x的生成或還原已生成的NO_x。

  低氮燃燒技術(shù)方法主要有：

  ①分解爐分級(jí)燃燒；

  ②采用低NO_x燃燒器（改變火焰形狀、降低一次風(fēng)量等）；

  ③優(yōu)化操作和配料（降低過剩空氣系數(shù)、降低燒成溫度等）。

  2、分解爐分級(jí)燃燒技術(shù)原理

  分解爐分級(jí)燃燒有兩種形式：空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒?？諝夥旨?jí)燃燒是指將燃燒所需的空氣（三次風(fēng)）分成兩級(jí)送入，使第一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)過剩空氣系數(shù)α在0.8左右，燃料先在缺氧富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，且燃燒生成的CO與NO進(jìn)行還原反應(yīng)。將燃燒用的空氣的剩余部分輸入二級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)，保證燃料的完全燃燒。

  燃料分級(jí)燃燒是指在煙室和分解爐之間建立還原燃燒區(qū)，將原分解爐用燃料的一部分均布到該區(qū)域內(nèi)，使其缺氧燃燒以便產(chǎn)生 CO、CH₄、H₂、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NO_x發(fā)生反應(yīng)，將NO_x還原成N₂等無(wú)污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒也抑制了自身燃料型NO_x產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的NO_x 減排。

  主要化學(xué)反應(yīng)過程如下：

  2CO + 2NO → N₂ + 2CO₂

  2H₂ + 2NO → N₂ + 2H₂O

  2NHi + 2NO → N₂ + …

  3、燃料分級(jí)燃燒技術(shù)方案

  分解爐分級(jí)燃燒的原理雖然都一樣，但具體采用的燃料分級(jí)燃燒形式，選擇還原區(qū)的位置卻各不相同。常見的分級(jí)燃燒還原區(qū)位置有窯尾煙室、煙室上升煙道和分解爐錐部三種。

  各種燃料分級(jí)燃燒形式形成還原區(qū)的分煤量也各不一樣，但一般分級(jí)燃燒技術(shù)的脫硝效率在15-40%左右。

  4、影響水泥窯NO_x生產(chǎn)量的因素

  ①燒成溫度：溫度對(duì)熱力型NO_x的生成量影響十分明顯，當(dāng)燃

  燒溫度低于1500℃時(shí)，熱力型NO_x生成量極少，隨著溫度的升高，NO_x 的生成量急劇上升?；剞D(zhuǎn)窯主燃燒器火焰溫度高達(dá)1700-2000℃，這種高溫下會(huì)促使熱力型NO_x的大量生成。

  ②過?？諝庀禂?shù)：熱力型NO_x生成量與氧濃度的平方根成正比，即氧濃度越大，在較高的溫度下會(huì)使氧分子分解所得的氧原子濃度增加，使熱力型NO_x生成量也增加。

  ③火焰的性狀：從理論上由于火焰拉長(zhǎng)降低了高溫點(diǎn)溫度，可以減少NO_x的生成量，但實(shí)際生產(chǎn)中通常是短火焰雖然溫度較高，產(chǎn)生的NO量卻比長(zhǎng)火焰的少，因?yàn)榛鹧婧诵牟课蝗鄙倏諝?，產(chǎn)生還原氣氛，且煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間短。

  ④廢氣在窯內(nèi)的停留時(shí)間：氣體在高溫區(qū)的停留時(shí)間對(duì)NO_x生成量也產(chǎn)生較大的影響。NO_x濃度隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

  5、控制回轉(zhuǎn)窯NO_x產(chǎn)生量的措施

  ①精細(xì)化操作：首先采取的措施就是水泥窯系統(tǒng)的精細(xì)化操作，優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的煅燒制度，控制利于降低NO_x的火焰性狀和適宜的煅燒溫度；在不影響熟料質(zhì)量的前提下，盡量降低過?？諝庀禂?shù)，確保原燃料喂料量準(zhǔn)確均勻穩(wěn)定，精心操作、適當(dāng)調(diào)整窯系統(tǒng)的各項(xiàng)操作參數(shù)可獲得相應(yīng)的NO_x減排效果。

  ②降低燒成帶溫度：高溫對(duì)減少熱力型NO_x不利，可以通過調(diào)整配料、添加礦化劑等方法降低燒成溫度以較少窯內(nèi)熱力型NO_x的形成。但從熟料和水泥性能方面考慮這類措施并非普遍適用。

  ③采用低NO_x燃燒器：使用大推動(dòng)力、一次空氣比例較小的多通道燃燒器，將一次風(fēng)量控制在5%-7%。

  五、總結(jié)

  氮氧化物是主要大氣污染物之一，水泥行業(yè)是繼電力、汽車行業(yè)之后的第三大氮氧化物排放源，“保護(hù)環(huán)境，達(dá)標(biāo)排放”將成為企業(yè)所必須承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任和義務(wù)！但環(huán)保的壓力將直接導(dǎo)致制造成本增加，NO_x減排技術(shù)成為當(dāng)前我國(guó)水泥企業(yè)的重要研究課題。綜上所述，歸納有以下幾點(diǎn)：

  1、NO_x減排形勢(shì)緊迫，水泥企業(yè)的NO_x減排工作勢(shì)在必行；

  2、水泥企業(yè)NO_x減排的關(guān)鍵是提高思想認(rèn)識(shí)，應(yīng)從生產(chǎn)管理、操作運(yùn)行等方面下功夫，盡量減少NOx的產(chǎn)生；

  3、通過優(yōu)化操作和必要低氮燃燒技術(shù)改造，可將NO_x濃度控制國(guó)家環(huán)保要求以內(nèi)。