水泥企业项目-脱氮方案科研.doc

乌海赛马水泥有限责任公司利用工业废渣建设2500t/d熟料水泥生产线窑尾脱硝项目可行性研究报告中国中材国际工程股份有限公司二一一年十月乌海赛马水泥有限责任公司2500t/d熟料水泥生产线窑尾脱硝项目 可行性研究报告1 总论1.1 项目概况1.1.1 项目名称乌海赛马水泥有限责任公司利用工业废渣生产熟料水泥生产线窑尾脱硝项目。1.1.2 建设地点内蒙古乌海市海南区拉僧庙镇化工区。1.1.3 建设规模、范围本项目是在回转窑窑尾和分解炉之间设置采用由中国中材国际有限公司南京分公司自主开发的完全还原气氛法脱氮装置进行脱氮，该法是利用在回转窑尾部加入专用在线分级均布还原燃烧和司料温控技术以及欠氧燃烧区装置来实现脱氮，同时还采用了多介质四通道低氮煤粉燃烧器(即喷煤管)来降低氮氧化物产生量。年减排氮氧化物（NOx）828.48吨。1.2 项目背景1.2.1 新型干法水泥工业中NOx的来源氮氧化物（NOx）是大气主要污染源之一，主要包括NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，其中给大气造成污染的主要是NO和NO2。NOx对人体的健康和人类的生活环境有着较大的危害。新型干法水泥生产过程中，燃料在窑炉内燃烧时，助燃空气中的氮气分子氧化以及燃料中氮元素的氧化，都会生成NOx。当窑炉内的火焰温度超过1200时，燃烧空气中的氮气与氧气会发生氧化生成NOx称之为“热力型NOx”，窑炉温度低于1200时，燃料中氮元素的氧化产生的NOx称之为“燃料型NOx”。由于水泥回转窑烧成带的火焰温度一般在17502000，固相温度在14001475，因此大量热力型NOx在烧成带生成；而在分解炉和窑尾烟室上升管道区域，燃料燃烧温度一般低于1200，因而在窑尾预分解系统中，主要生成的是燃料型NOx。1.2.2 NOx的排放标准及排放现状众所周知，排污控制标准是法律框架下最低要求，是企业生产必须满足的条件，而达到更优的排放指标是企业应尽的责任和努力的方向。目前，中国国家标准 GB4915-2004的要求为NOx 许可排放量为800 mg/Nm3（10%氧基）。水泥作为保障国家经济建设最基本的建筑材料，至今无法替代，而新型干法水泥技术是目前最先进的水泥生产方法，其在水泥工业中正在逐步得到推广和大规模应用，我国新型干法水泥厂不经处理后的NOx排放量大都在400ppm1000ppm（假设C1出口氧含量为3.5%），若折算成NO2，并以10%氧含量计，则排放量为5161291 mg/Nm3，以一条5000吨的生产线为例，一天就要排放3.99.7吨的NOx（假设C1出口风量1.5Nm3/kg.cl）。随着我国新型干法水泥工业技术和装备的不断发展，以及立窑水泥工业的逐步淘汰，新型干法水泥的产量也将逐渐增加，新型干法水泥工业产生的NOx排放量将呈迅猛增加的趋势，随之而来的NOx减排压力也随之增加。虽然水泥厂NOx排放量占全国总排放量的比例不高，但新型干法水泥工业发展速度快，单机规模大，年增排放量不可忽视。因此开发出一种与新型干法水泥生产工艺相配套的脱NOx技术很有必要。当前我国正处于工业化、城镇化加速发展的重要阶段，经济社会发展面临着严峻的资源和环境双重约束。水泥作为我国主要的高能耗、高排放产业，是工业领域节能减排的重点和难点，其节能减排效果对完成我国能源消耗目标、工业可持续发展起着举足轻重的作用。加大节能减排力度，已成为水泥行业面临的一项艰巨而紧迫的任务。因此开发出一种与新型干法水泥生产工艺相配套的脱NOx技术很有必要。1.3可行性研究依据1.3.1国家发展和改革委员会2011年发布的产业结构调整指导目录。1.3.2国家发展和改革委员会2006年10月17日发布的水泥工业产业发展政策。1.3.3国家工业和信息化部2010年11月16日发布的水泥行业准入条件。1.3.4乌海赛马水泥有限责任公司的委托。1.3.5乌海赛马水泥有限责任公司提供的有关基础资料。1.4项目建设的必要性环境保护和节能减排的需要水泥行业是我国国民经济建设的重要基础材料产业，也是主要的能源消耗和污染物排放行业之一。2009年全国水泥总产量16.5亿吨，水泥行业能源消耗总量约占全国能源消耗总量的5%，废气、颗粒物排放量约占工业排放总量的30%左右。“十一五”以来，水泥行业按照国家节能减排总体要求，加快产业结构调整步伐，大力推广新型干法水泥生产工艺，2009年新型干法水泥产量比重达到70%；大型新型干法水泥生产技术、余热发电技术等一批技术和装备达到国际先进水平；水泥行业节能减排工作取得积极进展，吨水泥综合能耗明显降低，污染物排放总量不断减少，年消纳、利用各类工业废渣超过4亿吨。但是，水泥能源资源消耗高、环境负荷重的局面还未得到根本改变，节能减排仍有很多突出的问题亟待解决：单位产品能耗、排放与国际先进水平比较仍有差距；水泥工艺水平参差不齐，技术装备差距较大，行业整体能效水平不高；污染物和颗粒物排放水平与国际先进水平相比仍有一定差距。落后产能还占一定比重，节能减排技术和装备推广力度不够；部分企业未达到国家能耗和环保相关标准要求；现有的节能减排标准和规范还不完善，也未得到认真实施。相当多的企业节能减排管理职能机构不健全，节能减排管理水平需进一步提高。（2）项目建设是企业应尽的责任和义务国家在“十二五”规划中提出“全面贯彻落实科学发展观，严格执行产业政策，以降低能源消耗、减少污染物排放为目标。加快科技进步，大力推广应用先进节能减排技术、工艺、装备；加大淘汰落后产能力度，推行清洁生产；加强综合利用，发展循环经济，强化科学管理，努力构建资源节约与环境友好型水泥行业，促进水泥行业节约、清洁、低碳和可持续发展”。由此可知，大力推行清洁生产，降低污染物排放是每一个水泥企业今后的重点任务之一。乌海赛马水泥有限责任公司通过本项目的实施，在提高能效、减少污染物排放的同时，也能为水泥行业脱硝技术的应用和工业推广起到示范作用，对于全行业降低能源消耗、减少污染物排放保护环境做出贡献。本项目的实施符合国家、自治区关于产业结构调整发展规划的要求。二 常规脱氮技术方案简介2.1非催化选择还原法（SNCR）SNCR脱NOx技术是把分解炉出口的那一部分空间作为反应器，将尿素（或其它还原剂）直接喷入分解炉出口处，此处的温度一般为900左右，在此温度下，尿素可迅速分解成NH3，NH3与烟气中的NOx反应生成N2。这种方法热电厂用的比较多，但水泥产品附加值较低，采用该法将会大幅度提高生产成本，在水泥生产企业推广有一定的难度。22催化选择还原法（SCR）SCR 脱 NOx 技术和 SNCR 法相同，其差别在于是否有催化剂的存在，效果是 NOx 还原率高，残氨量低,操作温度低，不利之处是水泥生料中的金属氧化物容易使催化剂中毒失活，影响脱 NOx 的效果。2.3电子束辐照法电子束辐照法属于干式氨法脱 NOx 技术，但此处的氨不是还原剂，而是中和剂，其原理是在电子束辐照下，烟气中的 O2 和 H2O 首先被高能电子激发产生强氧化性的活性基团O2和H2O，烟气中的 NOx 被这些活性基团迅速氧化成 NO2，并与 H2O 作用生成 HNO3。HNO3 与喷入烟气中的氨发生化学反应，产生硝铵，达到脱除 NOx 的目的。其预期脱 NOx 效果较好，但设备费用和电耗较高。2.4完全还原气氛法还原气氛法是在还原区内缺氧燃烧产生 CO、CH4、H2、HCN 等还原型气氛，且煤粉中的炭本身就是一种还原剂，这些还原气氛和还原剂将流经还原区时，其中的 NOx 发生氧化还原反应，NOx 将被还原成 N2 等无污染气体。三 目前的脱氮实践及存在的问题目前国内某些新型干法水泥企业正在利用完全还原气氛法和部分还原气氛法，现将这两种方法的应用状况作一比较，结果见表1。表1 国内使用的集团两种脱氮技术比较技术类别完全还原气氛法部分还原气氛法具体结构喂煤点中部多点喷嘴对冲还原区窑尾对冲气流还原区还原气氛区大小较大局部还原区煤粉用量100%Max：10%还原区温度控制方式粉料控制无控制效果工况ppm计230630工况mg/Nm3计472（3.0%O2）1294（2.82%O2）10%氧基mg/Nm3计289783存在问题四个炉用燃烧器上端出现结皮，两侧相对较轻。煤粉用量较少，但效果较差。结皮原因由煤灰及碳焦形成的低共熔物集中，粘结发育聚集，最终造成结皮堵塞。基本无结皮，偶尔会与少量有害成分共同作用导致结皮。使用情况可根据生产情况调节使用已恢复使用通过表1的比较不难看出：完全还原法的效果，要比部分还原法效果要好，但带来的堵塞问题较大，因此，生产实践中，要解决 NOx 排放量的控制和堵塞问题，必须针对具体的结构采用均布的方法加以控制，使其不要产生低共熔物区。另外，脱氮燃煤比例和煤灰混合比例是影响窑尾烟室结皮的关键因素，图1为脱氮燃煤的用量比例对结皮值的影响，从中可以看出，对于两种不同的煤灰类型，随着脱氮燃煤比例的增加，结皮值都随之增加。图2为煤灰混合比例对结皮值的影响，从图中可以看出，当用煤比例一定时，增加煤灰比将导致结皮值的快速增加。因此必须开发出一种既能有效脱除烧成系统中的NOx，又能确保烟室及分解炉底部不结皮不堵塞不影响熟料生产的新技术方案。四 项目建设内容及及技术工艺根据最新出台的水泥行业准入条件(工原2010第127号)，新建或者改扩建熟料水泥生产线必须配置脱氮氧化物效率不低于60%的脱硝装置。本项目是在回转窑窑尾和分解炉之间设置，由中国中材国际有限公司南京分公司自主开发的完全还原气氛法脱氮装置进行脱氮，该法是利用在回转窑尾部加入专用在线分级均布还原燃烧和司料温控技术以及欠氧燃烧区装置来实现脱氮，同时还采用了多介质四通道低氮煤粉燃烧器(即喷煤管)来降低氮氧化物产生量。据发明单位及发明人提供数据表明，采取此装置脱氮后NO2排放浓度可达到289mg/m3。发明专利号：1、脱氮装置专利号：ZL 2009 2 030 1404.9 2、多介质四通道低氮煤粉燃烧器专利号：ZL 2009 20301402.X（附：发明专利文书）。本项目工艺上配置了五级旋风预热器和分解炉，并且采用多介质四通道喷煤管，窑内过剩空气系数小，可控制随煤粉入窑的空气量，部分实现缺氧燃烧，窑内热力型NOx含量在670mg/ Nm3；分解炉为在线式管道分解炉，所用煤粉从分解炉底部两个方向喷入与烟气混合，气流氧含量低，其NOx产生量在110mg/ Nm3。回转窑与分解炉产生的NOx比例为6:1，系统总的NOx产生浓度780 mg/ Nm3，采用完全还原气氛法脱氮装置脱出后NO2排放浓度为289mg/Nm3，脱除氮氧化物效率62.9%，符合水泥工业大气污染物排放标准(GB4915-2004)中NO2排放浓度800mg/m3的限值要求。烟气量174326 Nm3/h(标况，工况为480000m3/h)，NO2排放量为50.38kg/h。窑尾NO2吨产品排放量为0.42 kg/t，年减少NO2排放量570t,其生产工艺对NO2控制是可行的。本项目采用中国中材国际自主开发的完全还原气氛法脱氮装置进行脱氮，该方法是采用分段燃烧技术原理，在分解炉下部设置二次燃料缺氧燃烧的NOx还原区段，以控制NOx的最终生成量的一种“准二次措施”，该技术也称为炉内燃料分级(区)燃烧技术。窑内已生成的NOx当遇到烃基CHi和未完全燃烧产物CO、H2、CH4和HCN等还原型气氛，且煤粉中的炭本身就是一种还原剂，这些还原气氛和还原剂将流经还原区时会发生NOx的还原反应，NOx 将被还原成 N2 等无污染气体。利用该原理，在分解炉下部与烟室连接处送入燃料，此处窑内废气的氧含量已很小，且温度很高，喷入燃料后将形成很强的还原性气氛，使得在回转窑内生成的NOx在该燃烧区内被煤挥发出来的挥发份物质还原成氮分子。在该处不仅使得已生成的NOx得到还原，同时还抑制了新的NOx生成，可使其排放浓度进一步减低。此后，燃烧产物进入二次燃烧区，送入三次风，因控制的氧化气氛可达到最终完全燃烧的目的。燃尽过程中因燃烧温度低，重新生成的NOx量少，总的来看使用炉内二次燃烧技术后水泥厂的NOx排放量可大大降低。图中1是回转窑，2是窑尾烟室，3是燃烧器，4是欠氧燃烧区装置，5是旋风筒下料管，6是分解炉，7是三次风入口本技术特点利用了窑尾烟气的特点在特殊结构的欠氧燃烧区均匀喂煤，快速生产还原气体，使窑尾废气与还原气体充分接触，将废气中NOx的还原生成氮气，通过司料位置和分散落点控制燃烧区温度，以调节燃烧速度差异导致的温度不均，不会在烟室壁面产生高温区，避免了结皮情况的发生。欠氧燃烧的废气还经过正常的过氧燃烧，不会有大量一氧化碳等燃烧气体产生，并不会对后面的工艺带来安全隐患。为实现该法的理想效果，采取的主要技术措施如下：4.1技术措施一：采用在线分级均布燃烧和司料温控技术针对目前生产系统中采用的低 NOx 排放控制技术中存在问题，在不增加生产费用的情况下，为了实现低 NOx 的控制目标，提出了在线分级均布燃烧和司料温控技术，这种技术的提出其核心是基于以下四点的考虑：、必须在三次风进入前的窑气通道中，构造出一个有效的强还原区。、确保还原区内各位物理场的相对均匀性，边壁不形成过浓的煤粉浓度场。、避免还原区内近壁处低共熔物过度集中和贴壁，尤其是煤灰和煤焦形成的低共熔物。、保证NOx在还原区域内与CO有足够的反应停留时间，避免CO被三次风中的氧气氧化。为了实现上述四点目标，采取的主要技术措施如下：、在窑尾和分解炉之间，设计出合理有效且有利于各物理场均布要求的还原区，其结构示意图如图2所示，数值模拟效果如图3所示。、采用特殊的煤粉喷嘴和高压煤粉喷入系统，提高煤粉流股的穿透力，将煤粉均匀地喷入窑气中心部位。、根据需求适当控制还原区内分级燃烧的煤粉比例，同时避免低共熔物过度集中问题。、采用特殊分料措施，有效控制还原区内的温度，既不产生高温区、也不产生低温区。在线分级均布燃烧和司料温控技术的应用过程中，需要用到以下主要设备：煤粉计量秤、煤粉分配器、高速喷射管、电动分料阀等。 图2 脱氮装置结构示意图 图3 数值模拟结果图4 多介质多通道离散式低NOx燃烧器的结构图4.2技术措施二：采用多介质多通道离散式低NOx燃烧器采用低NOx燃烧器从源头上控制NOx的产生，就能有效地控制NOx的排放问题。Sinoma开发设计的大型燃烧设备的结构如图4所示，图4-a为多介质多通道离散式低NOx燃烧器全貌，图4-b和4-c为燃烧器头部放大图。多介质多通道离散式低NOx燃烧器的设计特点有：、合适的出口气体喷出动量设计。喷出动量较小会影响卷吸高温风量以及与煤粉的充分混合和快速燃烧，导致局部还原气氛和煤粉的沉落，影响熟料的质量，甚至出现因煤粉的沉落造成的窑内前结圈问题。除此之外还会因为火焰刚度，造成下游无回流区，进一步影响燃烧过程所需要的各种扩散；喷出动量过大会引起外回流较大，一方面挤占火焰下游的燃烧空间，降低火焰下游的氧浓度，同样会导致燃烧不完全问题，造成CO浓度升高。、外风采用扩张式离散喷嘴结构，有效地避免传统的环行通道易变形及对称性难于控制问题。、内旋流风利用小叶片、多片数目、大遮度的固定式旋流器，可稳定火焰，加强早期混合。、特殊的喷嘴结构，可强化空气与煤粉的混合，具有较低的一次风率，适应低氧燃烧，可使NOx的排放量大大降低。、利用水和煤粉在高温还原条件下的水煤气反应吸热，控制煤粉火炬的温度峰值，在保证水泥烧成工艺要求的前提下有效减少NOx的生成，从而有效降低NOx生成，同时离散喷嘴还可解决长期在高温条件下使用的变形问题。在燃烧器的开发设计过程中，采用强湍流、强回流、强旋流，以达到强化燃料与空气混合、提高燃烧强度和降低局部高温以及降低NOx含量的设计理念。达到技术先进，稳定可靠，便于调节的目的。多介质多通道离散式低NOx燃烧器的使用过程中，需要用到以下主要设备：水煤浆输送泵、空气压缩机、水煤浆搅拌罐等。4.3 中国中材国际的先进技术特点本项目将采用中国中材国际的在线分级均布燃烧和司料温控技术，该技术具有燃烧截面积大、气体速度快，这充分保证了煤粉在单位截面积上的还原气氛均布，还原化学反应过程均匀发生，还原效率高，能避免局部高温和结皮堵塞；从表2中还可以看出，在线分级均布燃烧和司料温控技术煤粉用量及其停留时间适中，能有效避免复杂流场的出现。此外还可以看出，中材国际的技术中，颗粒在分解炉底部分布均匀，没有过高的浓度梯度变化，在保证脱氮效果的同时能有效避免颗粒分布不均以及局部高温的问题。表3为各公司的技术特征及技术效果的比较，从表3中可以看出，在线分级均布燃烧和司料温控法可使NOx排放量达到欧洲标准。表2 中国国际的技术与其它公司技术的参数比较运行参数F.L.SmidthPolysius中国中材国际燃烧器