水泥窑氮氧化物减排技术优化方案和措施(2013水泥年会)1

水泥窑氮氧化物减排技术

优化方案和措施

北京建筑材料科学研究总院固废资源化利用与节能建材国家重点实验室汇报人：陈晓东：单位简介北京建筑材料科学研究总院隶属于北京金隅集团。是国家级技术中心，拥有固废资源化及节能建材国家重点实验室。水泥环保技术研究所以服务水泥企业、提供水泥环保节能技术支持和服务为导向，先后承担了国家973课题2项及“十二五”科技支撑项目1项，并先后承担北京市和金隅集团课题研究及产业化项目20余项。主要内容CO对SNCR效率的影响协同处置生活垃圾对NOx减排的影响强化窑尾换热提高窑尾燃料比例对NOx减排的影响汇报内容CO浓度影响SNCR脱硝效率的理论分析结论高温烟气中生成的OH基元是SNCR脱硝反应所必需的，大量OH基元的生成可以促进更多的NH2自由基生成进而还原NOx，但同时OH基元也是CO氧化为CO2的反应参与者，因此CO的氧化过程和脱硝还原反应过程存在着对OH基元的争夺。这是CO浓度影响SNCR脱硝效率的本质原因。CO对SNCR效率的影响CO浓度影响SNCR脱硝效率的理论分析SNCR脱硝机理（NH3与OH的基元反应）

SNCR脱除NO的详细反应机理是由NH3转化为NH2基元开始的，在此过程中，OH是关键的基元。

NH3对NOx的还原是从NH3生成NH2自由基开始的：NH3+OH↔NH2+H2O(1)CO对SNCR效率的影响CO浓度影响SNCR脱硝效率的理论分析在温度窗口内,NH2主要有2条还原NOx的反应途径:NH2+NO↔NNH+OH(2)NH2+NO↔N2+H2O(3)NNH的后续反应为:NNH+NO↔HNO+N2(4)CO对SNCR效率的影响CO浓度影响SNCR脱硝效率的理论分析CO与OH的基元反应CO主要通过以下两个基元反应，反应（5）消耗OH基元，生成C02，反应（6）同时又促进OH的生成。CO+OH↔C02+H(5)O2+H↔O+OH(6)CO对SNCR效率的影响CO浓度影响SNCR脱硝效率的理论分析在不同的工况（温度、气氛等）条件下，两种反应的速率会发生变化。显然，当CO通过反应（5）消耗了一定量的OH基元而不能通过反应（6）生成更多的OH基元，则影响SNCR脱硝反应的进行，反之当CO消耗OH基元的同时还能生成更多地OH基元，则会提高SNCR脱硝效率。CO对SNCR效率的影响

CO浓度影响SNCR脱硝效率的结果分析（NOx出口/NOx进口）/%温度/℃

图1燃煤烟气CO浓度对NOx脱除的影响（采用氨水）CO对SNCR效率的影响CO对SNCR效率的影响

图2分解炉内CO浓度对NOx脱除的影响（采用氨水）降低CO浓度的技术手段和SNCR设计原则

1烧成工艺的优化（1）分解炉的改造对于分解炉容积较小，气体停留时间较短的分解炉，通过对分解炉主体加高延长以及增加后置鹅颈管的方式进行扩容改造，可以减少燃料不完全燃烧现象。实际上即使不考虑脱硝问题，这类工厂也应通过工艺的优化来实现节能降耗，而如果在确定分解炉改造方案时，能结合SNCR技术的实施统筹考虑CO的燃尽区停留时间和脱硝还原剂反应时间，则无疑是实现生产节能高效和环保高效的最佳技术路线。CO对SNCR效率的影响（2）优化燃料入炉和生料入炉工艺对采用的燃料特性进行研究分析，确定合理的燃料预燃空间，避免刚入炉的生料过早与入炉燃料接触，使燃料稳定燃烧。生料的入炉工艺应结合燃料特点来确定。尤其是当采用低品质煤和低热值固废燃料时，应考虑生料分级入炉的工艺和设施，以灵活控制燃烧温度和炉温，防止“冷炉”而造成的燃料不完全燃烧。应考虑加强煤粉和生料分散均布的工艺措施，防止产生局部区域燃料或生料过浓的现象。充分利用喷腾、旋流等各种流场效应来加强分散、均布、混合，延长燃料和生料在炉内的停留时间。CO对SNCR效率的影响（3）优化系统用风，满足正常生产平衡要求通过热工标定、热工计算等分析手段，可以找出系统中存在的因非操作因素造成的用风不平衡问题并加以解决。通过这种手段可以发现原始设计或安装砌筑过程中存在的问题，来解决那些在实际生产中长期存在的不明原因的困扰。如前所述的窑列与三次风列空气流量分配的问题，在实际生产中发现一些工厂的窑尾烟室固定缩口面积确实不合适，尤其是对于带离线燃烧系统的生产线，很容易造成因三次风量偏小导致燃料预燃不好而出现CO升高的现象。其实类似的一些问题很容易通过对系统进行热工诊断后发现，并通过一些简单的优化手段来完善。CO对SNCR效率的影响2三次风分级入炉形成燃尽区燃料分级和空气分级是氮氧化物减排的一个重要技术措施，由于在分解炉内形成CO浓度较高的还原区，因此将一部分三次风由主风管引出送入分解炉中后段合理部位形成CO燃尽区，是减少分解炉出口CO浓度的有效措施。未来随着新型干法窑企业的转型，低热值废物替代燃料的使用范围和用量将不断增加，CO浓度上升的问题会进一步受到关注，而三次风分级入炉来加强CO再燃烧的技术手段应用会越来越普遍。当然，并不是从三次风管引出一根管道再进入分解炉就一定会收到明显效果，设计中需要注意下述问题：CO对SNCR效率的影响（1）燃料或替代燃料的燃烧特性对于起燃温度低、燃烧速度快的燃料，要求在还原区的停留时间短；反之，要求在还原区的停留时间长。（2）三次风分级入炉位置需要通过热工计算得出的有关部位工况烟气流量，根据分解炉的结构和容积，以及燃料在还原区的停留时间要求，确定入炉的位置。（3）三次风分级比例因不同工厂的工艺条件而异。20-30%的分风比例无论是从研究结果还是生产实践效果来看，是被认可的。（4）原有分解炉和三次风管的改造原有三次风管与分解炉的连接尺寸应加以调整，以免过多影响三次风入炉的风速，进而对炉内流场、生料和燃料均布及热反应过程产生影响。CO对SNCR效率的影响3SNCR还原剂入炉的位置（1）避免距离燃料主燃烧区过近当采用氨水或尿素溶液时，喷射位置与燃料主燃区域过近，将会对燃料燃烧产生影响。（2）避免直接喷入分级燃烧形成的还原区还原区的CO浓度已经较高，还原剂喷入还原区后将消耗OH基，造成CO浓度进一步升高，而高浓度的CO将会影响SNCR脱硝效率。（3）应在空气分级入炉位置后的某段合理区域喷入还原剂分级空气入炉后可使未燃尽CO进一步燃烧。为保证CO燃烧充分，应预留出CO燃烧反应的时间。（4）应在分解炉内预留还原剂与NOx还原反应的时间CO对SNCR效率的影响RDF入炉位置脱氮管入炉位置MC-2MC-1SBSCSBSCCO对SNCR效率的影响分解炉CO二次燃尽区有效容积和SNCR还原反应区的有效容积设计（喷枪与分解炉连接位置设计）CO二次燃尽时间：1.25sSNCR还原反应时间：1.0sCO对SNCR效率的影响脱氮管入炉位置主要内容CO对SNCR效率的影响协同处置生活垃圾对NOx减排的影响强化窑尾换热提高窑尾燃料比例对NOx减排的影响汇报内容技术创新点针对可燃筛上物和生物干化筛上物不同燃烧特性确定不同的工艺技术路线：可燃筛上物：直接入分解炉燃烧。生物干化筛上物：热解后含有热值的气体入炉燃烧。协同处置生活垃圾对NOx减排影响

可燃筛上物直接喂入分解炉可燃筛上物直接入分解炉燃烧工艺流程图可燃筛上物热值高，总需氧量大，可以在悬浮状态下利用大量三次风燃烧，利于窑系统烟气平衡协同处置生活垃圾对NOx减排影响生物干化筛上物热解气体入分解炉生物干化筛上物直接入分解炉燃烧工艺流程图生物干化筛上物热值低，总需氧量小，利用系统外少量的空气，对三次风影响小，利于窑系统烟气平衡协同处置生活垃圾对NOx减排影响AlternativeFuels(AF)

Theexperimentregardingagedrefusesubstitutingcement

calcinerfuelTheNOxemissionconcentrationandvelocityisreducedsignificantlybyAFutilizing.Duetothelackofrealizationofstagedcombustion,notonlytheenergywastedbutalsotheoperationriskyincreasedbyresultinginalargenumberofCO.0100200300400500600700煤煤+垃圾排放浓度（mg/m3）050100150200250排放速率(kg/h)ConcentrationVelocityNOxEmissionConcentrationNOxEmissionVelocity协同处置生活垃圾对NOx减排影响可燃筛上物直接喂入分解炉缩口之上协同处置生活垃圾对NOx减排影响可燃筛上物直接入炉高温风机及部分废气处理管道改造窑尾烟气管道雾化增湿系统改造多管冷却器改造袋收尘器改造尾排风机改造协同处置生活垃圾对NOx减排影响预热器系统改造分解炉区改造系统工艺优化改进提升主要内容CO对SNCR效率的影响协同处置生活垃圾对NOx减排的影响强化窑尾换热提高窑尾燃料比例对NOx减排的影响汇报内容在定义新一代新型干法技术特征时，首先提出的特征是“提升水泥窑系统的功能与效率，开发更先进的预热器、分解炉、旋窑、燃烧器、冷却机的功能与效能，进一步提高悬浮预热、预分解和高温烧成过程的燃烧、传热效率和降低氮氧化物的产生量，生产更高品质、更高等级的水泥熟料，较大幅度降低能耗和氮氧化物的排放量。”强化窑尾换热提高窑尾燃料比例对NOx减排的影响“产量一”的设计方案是以其它窑型已经实现的烧成带截面热负荷为依据，在原有基础上提高窑头的用煤量，挖掘回转窑的生产能力，并根据按常规设计的窑头与窑尾用煤比例关系，通过对预热器、分解炉的技术改造，使其结构、炉容等能够适应窑尾用煤量的提高，满足提产后的要求，大幅度提高熟料产量。强化窑尾换热提高窑尾燃料比例

对NOx减排的影响产量二的设计方案窑头喷煤绝对数量在“产量一”的情况下不变（截面热负荷在“产量一”的基础上不再提高），继续增大分解炉内的喷煤量（例如达到总用煤量的75%左右甚至更高），提高生料的入窑温度（例如达到1000℃甚至更高），使原本在窑内进行的吸热过程，再部分地移到分解炉内进行，大幅度地减轻窑内的负担，从而大幅度地提高回转窑的熟料产量强化窑尾换热提高窑尾燃料比例

对NOx减排的影响强化窑尾换热提高窑尾燃料比例

对NOx减排的影响窑直径（m）Di（m）截面热负荷qA(×107KJ/m2h)常规设计产量（t/d）产量一（t/d）产量二（t/d）Φ3.02.641.648270015232152Φ3.22.841.7088120018712644Φ3.53.101.7845170024153412Φ4.03.601.9216250037925358Φ4.74.262.0885500059748441Φ5.24.762.20647000810711455新型干法回转窑理论计算产量（2004年公开发表）强化窑尾换热提高窑尾燃料比例

对NOx减排的影响1700-1900℃热力型NOx燃料型NOx分解炉内850~1200℃燃料型NOx分解炉内低温无焰燃烧回转窑内高温明焰燃烧NO