水泥窯氮氧化物減排技術優化方案和措施(2013水泥年會)1

水泥窯氮氧化物減排技術

優化方案和措施

北京建筑材料科學研究總院固廢資源化利用與節能建材國家重點實驗室匯報人：陳曉東：單位簡介北京建筑材料科學研究總院隸屬于北京金隅集團。是國家級技術中心，擁有固廢資源化及節能建材國家重點實驗室。水泥環保技術研究所以服務水泥企業、提供水泥環保節能技術支持和服務為導向，先后承擔了國家973課題2項及“十二五”科技支撐項目1項，并先后承擔北京市和金隅集團課題研究及產業化項目20余項。主要內容CO對SNCR效率的影響協同處置生活垃圾對NOx減排的影響強化窯尾換熱提高窯尾燃料比例對NOx減排的影響匯報內容CO濃度影響SNCR脫硝效率的理論分析結論高溫煙氣中生成的OH基元是SNCR脫硝反應所必需的，大量OH基元的生成可以促進更多的NH2自由基生成進而還原NOx，但同時OH基元也是CO氧化為CO2的反應參與者，因此CO的氧化過程和脫硝還原反應過程存在著對OH基元的爭奪。這是CO濃度影響SNCR脫硝效率的本質原因。CO對SNCR效率的影響CO濃度影響SNCR脫硝效率的理論分析SNCR脫硝機理（NH3與OH的基元反應）

SNCR脫除NO的詳細反應機理是由NH3轉化為NH2基元開始的，在此過程中，OH是關鍵的基元。

NH3對NOx的還原是從NH3生成NH2自由基開始的：NH3+OH?NH2+H2O(1)CO對SNCR效率的影響CO濃度影響SNCR脫硝效率的理論分析在溫度窗口內,NH2主要有2條還原NOx的反應途徑:NH2+NO?NNH+OH(2)NH2+NO?N2+H2O(3)NNH的后續反應為:NNH+NO?HNO+N2(4)CO對SNCR效率的影響CO濃度影響SNCR脫硝效率的理論分析CO與OH的基元反應CO主要通過以下兩個基元反應，反應（5）消耗OH基元，生成C02，反應（6）同時又促進OH的生成。CO+OH?C02+H(5)O2+H?O+OH(6)CO對SNCR效率的影響CO濃度影響SNCR脫硝效率的理論分析在不同的工況（溫度、氣氛等）條件下，兩種反應的速率會發生變化。顯然，當CO通過反應（5）消耗了一定量的OH基元而不能通過反應（6）生成更多的OH基元，則影響SNCR脫硝反應的進行，反之當CO消耗OH基元的同時還能生成更多地OH基元，則會提高SNCR脫硝效率。CO對SNCR效率的影響

CO濃度影響SNCR脫硝效率的結果分析（NOx出口/NOx進口）/%溫度/℃

圖1燃煤煙氣CO濃度對NOx脫除的影響（采用氨水）CO對SNCR效率的影響CO對SNCR效率的影響

圖2分解爐內CO濃度對NOx脫除的影響（采用氨水）降低CO濃度的技術手段和SNCR設計原則

1燒成工藝的優化（1）分解爐的改造對于分解爐容積較小，氣體停留時間較短的分解爐，通過對分解爐主體加高延長以及增加后置鵝頸管的方式進行擴容改造，可以減少燃料不完全燃燒現象。實際上即使不考慮脫硝問題，這類工廠也應通過工藝的優化來實現節能降耗，而如果在確定分解爐改造方案時，能結合SNCR技術的實施統籌考慮CO的燃盡區停留時間和脫硝還原劑反應時間，則無疑是實現生產節能高效和環保高效的最佳技術路線。CO對SNCR效率的影響（2）優化燃料入爐和生料入爐工藝對采用的燃料特性進行研究分析，確定合理的燃料預燃空間，避免剛入爐的生料過早與入爐燃料接觸，使燃料穩定燃燒。生料的入爐工藝應結合燃料特點來確定。尤其是當采用低品質煤和低熱值固廢燃料時，應考慮生料分級入爐的工藝和設施，以靈活控制燃燒溫度和爐溫，防止“冷爐”而造成的燃料不完全燃燒。應考慮加強煤粉和生料分散均布的工藝措施，防止產生局部區域燃料或生料過濃的現象。充分利用噴騰、旋流等各種流場效應來加強分散、均布、混合，延長燃料和生料在爐內的停留時間。CO對SNCR效率的影響（3）優化系統用風，滿足正常生產平衡要求通過熱工標定、熱工計算等分析手段，可以找出系統中存在的因非操作因素造成的用風不平衡問題并加以解決。通過這種手段可以發現原始設計或安裝砌筑過程中存在的問題，來解決那些在實際生產中長期存在的不明原因的困擾。如前所述的窯列與三次風列空氣流量分配的問題，在實際生產中發現一些工廠的窯尾煙室固定縮口面積確實不合適，尤其是對于帶離線燃燒系統的生產線，很容易造成因三次風量偏小導致燃料預燃不好而出現CO升高的現象。其實類似的一些問題很容易通過對系統進行熱工診斷后發現，并通過一些簡單的優化手段來完善。CO對SNCR效率的影響2三次風分級入爐形成燃盡區燃料分級和空氣分級是氮氧化物減排的一個重要技術措施，由于在分解爐內形成CO濃度較高的還原區，因此將一部分三次風由主風管引出送入分解爐中后段合理部位形成CO燃盡區，是減少分解爐出口CO濃度的有效措施。未來隨著新型干法窯企業的轉型，低熱值廢物替代燃料的使用范圍和用量將不斷增加，CO濃度上升的問題會進一步受到關注，而三次風分級入爐來加強CO再燃燒的技術手段應用會越來越普遍。當然，并不是從三次風管引出一根管道再進入分解爐就一定會收到明顯效果，設計中需要注意下述問題：CO對SNCR效率的影響（1）燃料或替代燃料的燃燒特性對于起燃溫度低、燃燒速度快的燃料，要求在還原區的停留時間短；反之，要求在還原區的停留時間長。（2）三次風分級入爐位置需要通過熱工計算得出的有關部位工況煙氣流量，根據分解爐的結構和容積，以及燃料在還原區的停留時間要求，確定入爐的位置。（3）三次風分級比例因不同工廠的工藝條件而異。20-30%的分風比例無論是從研究結果還是生產實踐效果來看，是被認可的。（4）原有分解爐和三次風管的改造原有三次風管與分解爐的連接尺寸應加以調整，以免過多影響三次風入爐的風速，進而對爐內流場、生料和燃料均布及熱反應過程產生影響。CO對SNCR效率的影響3SNCR還原劑入爐的位置（1）避免距離燃料主燃燒區過近當采用氨水或尿素溶液時，噴射位置與燃料主燃區域過近，將會對燃料燃燒產生影響。（2）避免直接噴入分級燃燒形成的還原區還原區的CO濃度已經較高，還原劑噴入還原區后將消耗OH基，造成CO濃度進一步升高，而高濃度的CO將會影響SNCR脫硝效率。（3）應在空氣分級入爐位置后的某段合理區域噴入還原劑分級空氣入爐后可使未燃盡CO進一步燃燒。為保證CO燃燒充分，應預留出CO燃燒反應的時間。（4）應在分解爐內預留還原劑與NOx還原反應的時間CO對SNCR效率的影響RDF入爐位置脫氮管入爐位置MC-2MC-1SBSCSBSCCO對SNCR效率的影響分解爐CO二次燃盡區有效容積和SNCR還原反應區的有效容積設計（噴槍與分解爐連接位置設計）CO二次燃盡時間：1.25sSNCR還原反應時間：1.0sCO對SNCR效率的影響脫氮管入爐位置主要內容CO對SNCR效率的影響協同處置生活垃圾對NOx減排的影響強化窯尾換熱提高窯尾燃料比例對NOx減排的影響匯報內容技術創新點針對可燃篩上物和生物干化篩上物不同燃燒特性確定不同的工藝技術路線：可燃篩上物：直接入分解爐燃燒。生物干化篩上物：熱解后含有熱值的氣體入爐燃燒。協同處置生活垃圾對NOx減排影響

可燃篩上物直接喂入分解爐可燃篩上物直接入分解爐燃燒工藝流程圖可燃篩上物熱值高，總需氧量大，可以在懸浮狀態下利用大量三次風燃燒，利于窯系統煙氣平衡協同處置生活垃圾對NOx減排影響生物干化篩上物熱解氣體入分解爐生物干化篩上物直接入分解爐燃燒工藝流程圖生物干化篩上物熱值低，總需氧量小，利用系統外少量的空氣，對三次風影響小，利于窯系統煙氣平衡協同處置生活垃圾對NOx減排影響AlternativeFuels(AF)

Theexperimentregardingagedrefusesubstitutingcement

calcinerfuelTheNOxemissionconcentrationandvelocityisreducedsignificantlybyAFutilizing.Duetothelackofrealizationofstagedcombustion,notonlytheenergywastedbutalsotheoperationriskyincreasedbyresultinginalargenumberofCO.0100200300400500600700煤煤+垃圾排放濃度（mg/m3）050100150200250排放速率(kg/h)ConcentrationVelocityNOxEmissionConcentrationNOxEmissionVelocity協同處置生活垃圾對NOx減排影響可燃篩上物直接喂入分解爐縮口之上協同處置生活垃圾對NOx減排影響可燃篩上物直接入爐高溫風機及部分廢氣處理管道改造窯尾煙氣管道霧化增濕系統改造多管冷卻器改造袋收塵器改造尾排風機改造協同處置生活垃圾對NOx減排影響預熱器系統改造分解爐區改造系統工藝優化改進提升主要內容CO對SNCR效率的影響協同處置生活垃圾對NOx減排的影響強化窯尾換熱提高窯尾燃料比例對NOx減排的影響匯報內容在定義新一代新型干法技術特征時，首先提出的特征是“提升水泥窯系統的功能與效率，開發更先進的預熱器、分解爐、旋窯、燃燒器、冷卻機的功能與效能，進一步提高懸浮預熱、預分解和高溫燒成過程的燃燒、傳熱效率和降低氮氧化物的產生量，生產更高品質、更高等級的水泥熟料，較大幅度降低能耗和氮氧化物的排放量。”強化窯尾換熱提高窯尾燃料比例對NOx減排的影響“產量一”的設計方案是以其它窯型已經實現的燒成帶截面熱負荷為依據，在原有基礎上提高窯頭的用煤量，挖掘回轉窯的生產能力，并根據按常規設計的窯頭與窯尾用煤比例關系，通過對預熱器、分解爐的技術改造，使其結構、爐容等能夠適應窯尾用煤量的提高，滿足提產后的要求，大幅度提高熟料產量。強化窯尾換熱提高窯尾燃料比例

對NOx減排的影響產量二的設計方案窯頭噴煤絕對數量在“產量一”的情況下不變（截面熱負荷在“產量一”的基礎上不再提高），繼續增大分解爐內的噴煤量（例如達到總用煤量的75%左右甚至更高），提高生料的入窯溫度（例如達到1000℃甚至更高），使原本在窯內進行的吸熱過程，再部分地移到分解爐內進行，大幅度地減輕窯內的負擔，從而大幅度地提高回轉窯的熟料產量強化窯尾換熱提高窯尾燃料比例

對NOx減排的影響強化窯尾換熱提高窯尾燃料比例

對NOx減排的影響窯直徑（m）Di（m）截面熱負荷qA(×107KJ/m2h)常規設計產量（t/d）產量一（t/d）產量二（t/d）Φ3.02.641.648270015232152Φ3.22.841.7088120018712644Φ3.53.101.7845170024153412Φ4.03.601.9216250037925358Φ4.74.262.0885500059748441Φ5.24.762.20647000810711455新型干法回轉窯理論計算產量（2004年公開發表）強化窯尾換熱提高窯尾燃料比例

對NOx減排的影響1700-1900℃熱力型NOx燃料型NOx分解爐內850~1200℃燃料型NOx分解爐內低溫無焰燃燒回轉窯內高溫明焰燃燒NO