安全环境-环保技术之新型干法水泥生产线氮氧化物排放的影响因素

1、新型干法水泥生产线氮氧化物排放的影响因 素随着国家对水泥行业环保要求越来越严,NOx的减排工作成为水泥企业的首要 任务之一.河北省?水泥工业大气污染物排放标准?DB12/2167 2021规定NOx排放最大不超过260 mg/Nm3北京市?水泥工业大气污染物排放标准?标准规定NO排放最大不超过200 mg/Nm3河南省在?河南省2021年大气污染防治攻坚实施方 案?中要求水泥行业2021年10月底前,实现NOxHF放最大不超过150 mg/Nm3江 苏省已经提出在2021年6月实现NOx#高排放不超过100 mg/Nm3勺目标.由此可 见,氮氧化物的排放标准越来越严,这就要求企业必须切实行动起

2、来,未雨绸缪, 做好技术探索和储藏,以满足和适应更严的标准.目前国内水泥窑脱硝技术可归纳为：燃烧前治理技术、燃烧中治理技术和燃烧后治 理技术,当前被普遍采用和认可的技术多以稳定入窑生料和稳定窑况为前提,分级 燃烧技术+SNCR兑硝技术相结合的形式.华北是全国大气污染最严重的区域之一,对水泥企业的氮氧化物排放也最严格.本 研究选择了华北区域内氮氧化物排放水平较低的7条水泥生产线,并对其进行测试和分析,探讨CO浓度、炉型、喷枪位置等因素对脱硝效率的影响.1生产线根本情况介绍 7条水泥生产线的根本情况见表1表17条水泥生产线根本情况2测试方法采用德国testo350便携式烟气分析仪对窑尾不同位置的烟

3、气成分进行测试,并与在 线烟气分析仪监测数据进行了比对.测试烟室和分解炉的高温烟气成分时,采用自 制的耐高温前置过滤取气装置,可耐 1 300 C以上高温.测试的位置以五级单列旋流喷腾炉为例,烟室部位、分解炉出口、五级旋风筒出口 或四级旋风筒出口、窑尾烟囱等,对带有预燃室和流化床炉的生产线还测试了预燃 室和流化床炉的出口烟气成分.旋流喷腾炉烟气成分测试位置示意见图 1.图1旋流喷腾炉烟气成分测试位置示意煤粉的工业分析和元素分析参考GB/T 2122021?煤的工业分析方法?和 GB/T313912021?煤的元素分析?.3测试结果通过对7条水泥生产线的窑尾各部位烟气成分进行测试,结果见表 2.

4、测试结果表 明,7条生产线中窑尾烟囱氮氧化物排放浓度均低于 160 mg/Nm3其中3条生产线 窑尾烟囱氮氧化物排放浓度低于 100 mg/Nm3远远低于目前国家标准的要求.表2预热器各部位管道中烟气的NOx排放浓度mg/Nm3 注：计算氮氧化物的排放浓度根据国标 GB 4915-2021,基准含氧量为10%4分析与讨论4.1 CO浓度对NOx#放浓度的影响回转窑会产生热力型NOx和燃料型NOx其中以热力型NOx为主.温度和气氛是影响回转窑内NOx浓度的两个最重要因素,根据捷里道维奇机理描述,当温度低于 1 500 C时,热力型NOW勺生成量很少；高于1 500 C时,温度每升高100 C,热

5、力 型NOx的生成速度将增大67倍.所以在保证熟料良好煨烧的前提下要适当限制窑 内温度,预防局部超高温产生大量 NOx表3是D生产线窑尾烟室气体成分测试结果, 可以看出当窑尾烟室O2浓度越高过 剩空气系数大时,CCK度越低,烟气中NOx浓度越高；反之,CCft度越高,烟气 中NOxB度越低.窑尾烟室CCft度高可有效抑制和复原 NOx主反响式为： 2CO+ 2N0- 2CO2 + N2 (1)表3 D生产线不同时间测试烟室气体成分结果由于测试位置在烟室中上部,测试结果并不一定能准确和真实反响窑内气氛情况, 其他因素亦可能影响测试结果,如窑尾的密闭性、热生料中含有未燃尽煤粉、烟室 缩口物料沉降掉

6、入烟室等,都可能导致测试结果的误差.但通过测试数据得到的以 上规律是值得参考的.如果想进一步准确掌握窑内真实的气氛情况,建议安装在线 烟气分析仪,并通过长期观察以总结相关规律.此外,窑内的复原气氛会增加 SO2的挥发,可能造成系统结皮或 SO2排放超标.为 了预防SO犯量挥发,窑内燃烧必须保证氧化气氛,这也是熟料煨烧的根本要求.同时降低NO/口 SO咏度是一对矛盾体,在实际生产和操作过程中,为了限制窑内 气氛,首先应根据所使用的燃料类型,结合生料中的硫、碱含量等,应选择良好的、易于调整的燃烧器；其次保持窑内微氧化气氛,窑尾过量O2建议限制在0.8%2%以预防结皮、结圈的形成,从而保证熟料的质量

7、；最后,生料必须易于煨烧,从而 使煨烧温度尽可能地低.4.2 炉型对氮氧化物排放浓度的影响分解炉的型式有多种,以旋流喷腾炉、旁置预燃室炉和流化床炉三种炉型为研究对 象,A和D生产线分别为典型的旁置预燃室炉和流化床炉型,重点对预燃室出口和 流化床炉出口的烟气成分进行了测试,结果见表 4.三种不同型式分解炉如图2所 示.表4 A和D生产线预燃室或流化床炉出口烟气成分图 2三种不同系列的分解炉图2三种不同系列的分解炉煤粉在预燃室或流化床炉中燃烧,测试出口的CO浓度一度超过10 000 ppm,说明煤粉发生不完全燃烧,而不完全燃烧的焦炭和 COtt够有效抑制和复原NOx同时预 燃室或流化床炉出口的NO

8、X&度均不高于600 mg/Nm3与旋流喷腾炉中部烟气成分 相比拟低.预燃室或流化床炉产生的烟气连同未燃尽的煤粉大量不完全燃烧,通 过烟气连接管道送入窑尾烟室之上的分解炉内,与窑的烟气集合,在上升过程中对 NOx有持续的复原作用.因此单从 NOx减排角度来看,旁置预燃室炉和流化床炉型 均有利于复原窑尾烟气中的 NOx4.3 喷枪位置对SNCR兑硝效率的影响表5为不同生产线喷氨位置.喷氨位置是影响SNC脱硝效率的重要因素之一.普遍 认为氨与NOx反响(脱硝)白温度窗口以8501 000 C为宜,所以在SNC朦统设 计之初,喷氨位置大多项选择择安装在分解炉主炉出口,但实际生产过程中,由于分

9、解 炉主炉出口的烟气含有一定浓度 CO尤其是进行了分级燃烧技术改造后的生产线烟 气中CO浓度可能会更高,8501 000 C并不一定是其最正确的脱硝反响温度.国内外 很多研究1-4已说明,CO的浓度会影响SNCR兑硝的最正确温度,随着烟气中 CO 量升高,最正确的脱硝温度会向低温方向漂移.吕洪坤1等人研究了在氨氮摩尔比为 1.5、氧含量为4%勺条件下,最正确脱硝温度降低至 800 C以下,降低幅度达150 C 左右,同时脱硝的温度范围变窄,最高脱硝效率降低至 42%£右.王林伟5等人研 究了氨氮摩尔比为1.5时,当添加CO后最正确脱硝温度约降低75 C,在800 C左右 脱硝效率到达

10、最大.梁秀进6等人的研究结果同样说明,添加 CO后会降低SNCR 的最正确反响温度,以脱硝效率 50%；基准,无COffi添加COW的温度由863937 c 变为795923 C,温度范围变宽.关于 CO又t SNCR兑硝温度的影响机理尚无定论, 有研究说明5可能是C8曾大了 H的活性,如式(2) (4)所示,CCffi耗1个OH 基团的同时生成两个 OH进而在较低温度下提升了 OH和NH2的质量浓度,促进了 低温下脱硝反响的进行.表5各生产线喷氨位置CO+OHCO2+2O2+HO+O H3) NH3+ONH2+QH) 在实测的7条生产线中,除D生产线外,其余6条生产线的喷氨位置均调整至 C5

11、 入口前,温度范围在830900 C.根据工厂提供的数据,将喷氨位置从分解炉主炉出口调整至C5入口位置或出口位置,脱硝效率提升约10%4.4 脱硝效率4.4.1 分级燃烧名义脱硝效率 在窑尾预分解系统采用分级燃烧来降低 NOx是目前普遍采用的一种举措,因改造成 本低,几乎无运行费用而被广泛应用.分级燃烧脱硝技术的原理是利用煤粉燃烧过程形成的贫氧气氛或富燃料区域,产生一定量的CO等复原剂,利用CO来抑制或还原NOx从而减少NOx的排放.由于在分级燃烧阶段,既有 NOx的生成,又有NOx 被复原,且窑内还有局部CO8入分解炉系统,所以对分级燃烧的脱硝效率很难进行 准确计算,为了简化计算过程,忽略窑

12、内 CO对NOx的复原作用,现进行以下定义：式中：“分一一分级燃烧名义脱硝效率,%W室烟室NOx含量,mg/Nm3W分内一一分解炉内煤粉燃烧产生的 NOx含量,mg/Nm3WSNCSNCRe氨位置前烟气 NOx含量,mg/Nm3分解炉内产生的NOx以燃料型NOx为主,煤粉是影响分解炉内燃料型 NOx生成的重 要因素,由于煤粉燃烧过程复杂,本文只考虑煤粉的挥发分和煤粉中的 N元素含量. 煤中的氮在燃烧过程中会不断析出,通常可以分为 2个阶段：即挥发分均相生成阶 段和焦炭异相阶段7,而对于燃料型NOx以挥发分中氮生成NOx约占总燃料型 NOx的60%80%煤粉细度也对NOx的排放浓度有较大影响,一

13、般认为煤粉越细,比 外表积越大,NO对卜放浓度会越小7-8.煤的工业分析见表6.表6 7条生产线煤粉挥发分和N元素分析燃料型NOx除了与挥发分有关外,还与煤粉自身的含氮量有较大关系,同条件下,煤粉含氮量越高,燃料型 NOx成浓度越高.按1 kg实物煤热值约23.0 MJ/kg 约产生7.5 Nm3烟气,考虑尾煤占总燃煤的实际比例,并根据燃煤中氮元素含量,水泥窑燃煤中氮与NOxB转化率为20%80%9考虑到分级燃烧会抑制煤粉中的氮 向NOx转化,所以本文按转化率30%+算,忽略挥发分的影响因素由于挥发分差 距不大,可大致计算出AG生产线炉内煤粉燃烧产生的NOx的浓度.1g据式5 计算可得到AGf

14、t产线分级燃烧名义脱硝效率,如图 3所示.图3 AG生产线分级燃烧名义脱硝效率分级燃烧名义脱硝效率在11.0%46.3应问,AC生产线旁置预燃室炉,D生产线流 化床炉型,分级燃烧名义脱硝效率均较高,尤其是A和C生产线,脱硝效率大于40% 而EG£条生产线中,E和G生产线为常规的旋流喷腾炉,脱硝效率在15%U下.只 有F生产线进行了彻底的分级燃烧改造,且效果很好.主要改造内容为将其中两支 喷煤管移至分解炉锥部,同时将三次风管进行了上移.主要原理是下移局部喷煤管 至锥部有利于煤粉在贫氧区生成 CO同时由于锥部区域风速较大,有利于煤粉的分 散,并预防产生局部高温区；含 CO的烟气在上升过程

15、抑制并复原 NOx上移三次风 管有利于延长CC®原NOX勺时间,降低分解炉出口 NOXB浓度.4.4.2 SNCR名义脱硝效率SNCR勺名义脱硝效率见式6:式中：“SNCR SNC吟义脱硝效率,W8囱 窑尾烟囱 NOx含量,mg/Nm3喷氨量直接影响SNCR勺脱硝效率,但SNCR兑硝效率同时受喷枪位置和喷射效果氨 水雾化效果、烟气中CO含量、温度等因素的影响,氨水喷量越大,喷枪雾化效果 越好,温度越适宜,SNCR兑硝效果越好.图4为AG生产线SNCRg义脱硝效率. 表7为各线吨熟料氨水用量,氨水用量是影响SNC咯义脱硝效率的最主要因素之一, D生产线氨水用量最大,对应脱硝效果最为明显

16、,但从数据来看氨水用量与SNCRS义脱硝效率并非呈绝对的正比,且氨水用量越大,氨逃逸浓度越高.图4 AG生产线SNC甫义脱硝效率表7 AG生产线脱硝单位熟料氨水用量 kg/t4.4.3 综合名义脱硝效率综合名义脱硝效率的计算并非分级燃烧名义脱硝效率与SNC咫义脱硝效率之和,笔者认为综合名义脱硝效率以公式(7)来计算更为合理.由此计算出综合名义脱硝效 率,如图5所示.式中：“综合一一综合名义脱硝效率,%图5 AG生产线综合名义脱硝效率由图5可以看出综合名义脱硝效率在 77.4%93.1%比传统所说的分级燃烧+SNCR 脱硝效率要高,一是计算方法不同,二是与选取这些水泥企业进行了脱硝技术改造 有关,三是企业加大了氨水用量.但加大氨水用量很可能造成氨逃逸超标,由于该 7条生产线缺少精确的窑尾烟囱氨逃逸监测数据,在这里不做深入讨论,氨逃逸问 题将可能成为今后脱硝改造研究的重点.5结论本文通过对华北区域7条水泥生产线NOx排放浓度进行测试分析,研究了影响 NOx 排放的因素,得到以下结论及脱硝经验：(1)窑尾烟室CCft度与NOXB浓度密切相关,CO浓度