技术丨水泥窑及窑尾馀热利用系统氮氧化物产生机理和防治措施

水泥窑及窑尾余热利用系统氮氧化物产生机理和防治措施

我国 2014 年全年水泥熟料产量为 14.17 亿吨，吨熟料氮氧化物排放量约为 1.2kg，行业氮氧化物总排放量约为 170 万吨，是火力发电、汽车尾气之后第三大氮氧化合物排放大户。本文在分析水泥窑及窑尾余热利用系统 NOx 产生机理的基础上，对目前我国水泥窑采用的 NOx 防治措施进行简要的介绍。

1 水泥窑及窑尾余热利用系统氮氧化物的产生机理

水泥窑及窑尾余热利用系统 NOx 排放来源于水泥窑窑尾烟气，其产生源于以下三种方式，三者之间的比例关系主要取决于原、燃料中氮的含量、燃料类型和燃烧温度的高低。

1.1 原、燃料型 NOx
水泥生产使用的原、燃料将不可避免地含有一定量和低分子有机物 , 氮的化合物 , 直接从氮转换的一部分原始氮氧化物NOx 称为 , 燃料类型。相对于热氮氧化物类型和燃料类型、原料中的含氮量对水泥生产的过程中氮氧化物排放总量是微不足道的。我国水泥窑燃料均为煤，煤中的氮主要为有机氮，属于胺族或氰化物族等，我国 90% 的煤中氮含量范围为 0.52%~1.41%，燃料中氮在燃煤燃烧过程中基本都转化为 NOx。根据以 5000t/d水泥窑生产线为研究对象的研究结果，有机氮含量为 0.599%时，窑尾总排放浓度为 802.8 mg/m³，其中回转窑内燃料型和热力型氮氧化物浓度为 605.7 mg/m³，占总排放浓度的 75.4%，分解炉燃料型氮氧化物排放浓度为 179.1 mg/m³，占总排放浓度的24.6%。

1.2 热力型 NOx
型热氮气和氧气在空气中氮氧化物的高温发行的生化反应,燃烧温度低于 1500℃时 , 几乎无法察觉到氮氧化物的形成 , 当温度高于 1500℃时 , 每 100℃温度升高 , 反应速率会增加 6 ~ 7 倍。因此 , 热产生氮氧化物主要是在高温的燃烧 , 燃烧温度量有决定性的影响。此外 , 氮氧化物浓度的热模型也与 N2、O2浓度、停留时间。
煤粉在回转窑窑头及分解炉两处燃烧，新型干法水泥窑系统中 NOx 主要的产生区域在回转窑和分解炉两处。分解炉内温度较低（小于 1200℃），主要以燃料型 NOx 为主；回转窑内除产生燃料型 NOx 外，其内最高气体温度可达 2200℃，会生成大量的热力型 NOx。

1.3 快速型 NOx
在欠缺氧气环境 ,分解碳氢化合物燃料燃烧生成 CH,CH2和 C2 组 , 他们和氮分子 , 原子和 O, 哦组反应在很短的时间内大量的氮氧化物 , 称为类型快速氮氧化物。快速型氮氧化物对温度的依赖是非常微弱的 , 一代又一代普遍低于氮氧化物总量的5%。一般来说，在水泥生产过程中，快速型氮氧化合物可以忽略。

2 水泥窑及窑尾余热利用系统 NOx 防治措施

水泥窑及窑尾余热利用系统 NOx 防治措施常用的技术包括低氮燃烧技术和选择性非催化还原技术（SNCR）。

2.1 低氮燃烧技术
低氮燃烧技术主要从降低燃烧温度、改变煤粉着火区域和燃烧区域的气氛来达到抑制NOX的生成或促进NOX向N2转变。具体包括低氮燃烧器、分解炉空气分级燃烧技术和分解炉燃料分级技术。

2.1.1 低氮燃烧器
设计特殊燃烧器内部结构，改变风煤比例，提高一次风喷出速度，降低一次风用量，产生燃料着火区有类似空气分级、燃料分级法的效果，在保证煤粉着火燃烧的同时，可以降低回转窑中 NOX 的生成量约 5-10%。

2.1.2 分解炉空气分级燃烧技术
分级燃烧空气是指燃烧所需的空气量可以分为两个级别的 , 使主燃烧区过量空气系数α在0.8 左右,燃料的第一条件下氧气丰富的燃料燃烧 , 燃烧速度和温度降低 ,燃烧的公司, 没有还原反应。将剩下的空气输入二次燃烧区,保证燃料完全燃烧。燃料分级指的是烟室燃烧和分解炉燃烧区减少,分解炉原燃料之间的区域是制服的一部分,使其燃烧氧气生产公司,CH4和H2,HCN 和固定碳还原剂。预热器,烟气中的 NOx 的还原剂和氮氧化物还原到无污染的氮气等惰性气体。

2.1.3 分解炉燃料分级燃烧技术
燃烧燃料分类技术是为两个或更多的股票 , 创建三个燃烧区 : 富氧区、缺氧区 , 燃烧区。在富氧区域 , 为分解炉的 70 - 90% 的煤 , 过剩空气系数约为 1.2, 氮氧化物的形成。在缺氧区10 - 30% 的煤分解炉、过剩空气系数约为 0.8 到 0.9, 强还原性气氛的形成 , 富氧区形成氮氧化物还原成氮气。燃烧面积部分三次风再次 , 正常条件下过量空气系数约为 1.1, 让公司和飞灰中的碳完全燃烧。水泥窑燃料分级燃烧技术和烟室之间设置降低预热器和分解炉燃烧区域 , 为部分炉煤点到这个区域 , 氧燃烧条件下的生产公司 ,H2,HCN 和固定碳还原剂 , 反应与炉烟气中的氮氧化物 , 氮氧化物还原成氮气。
低氮燃烧技术主要有以下特点：该技术可有效抑制 NOX的生产，一次性投资，无运行成本；降低 NOx 的排放效果明显，脱硝效率一般为 20-40%；低氮燃烧技术工艺简单，建设和安装周期短；无二次污染，没有污染物或副产物生成；可避免在窑尾烟室及还原区内产生结皮现象，对正常生产和水泥熟料质量无不利影响。

2.2 选择性非催化还原技术（SNCR）
和选择性催化还原 (SNCR) 脱硝技术是基于包含 NHx 还原剂 ( 如氨、氨水或尿素 ) 注入分解炉温度为 850℃ ~ 970℃ , 温度区域的停留时间是 1 ~ 2 s, 快速热分解成还原剂氨和其他副产品,NH3然后 SNCR 反应 , 生成氮气 , 氮氧化物烟气脱硝效率的技术通常是 30% ~ 70%。
SNCR 还原反应不敏感的温度、注射点的选择,称为温度的选择窗口,是关键的 SNCR 减少效率不高和低。通常被认为是理想的 850℃ ~ 850℃温度范围内,随着变化的反应堆类型是不同的。当反应温度低于温度窗口,由于时间的限制,往往使化学反应来降低反应的程度并不完整,导致没有减速率很低,没有参与氨的反应增加氨的逃逸率的气体。当反应温度高于温度窗口,氨氧化反应开始发挥主导作用,因此,氨,生成没有成为氧化的作用,而不是减少N2的没有。SNCR 方法还原过程是上述两种反应 , 没有相互竞争 , 联合行动的结果。如何选择适当的条件减少还原剂的泄漏成为 SNCR 技术成功应用的关键。
SNCR 脱硝技术优势 : 脱硝效率一般为 30 ~ 70%, 水泥熟料的网上有很多成熟的国内外应用,系统简单,体积小 ,不需要改变现有的点火系统技术和设备,只需要进一步配置 SNCR 脱硝装置；因为不需要昂贵的催化剂和催化反应的巨大规模土木工程数量小,工程造价低 ,运行费用可根据实际情况调整控制 ,系统阻力小,不需要考虑现有的额外的附加阻力的点火系统；系统占地面积小,需要更小的氨存储位置,不需要占据很大面积。NCR 脱硝技术故障或问题如下:如果使用单独的技术 , 脱硝效率高达 60% 以上,氨消耗量比较大,运行成本高 , 因为需要从上部温度段成氨分解炉,根据不同氨注入量、点火系统的将热量消费有影响；注射氨分解炉后可能产生的 (NH4)2 so4 NH4HSO4 腐蚀和管道；氨逃逸量通常是大约 10 PPM(8 毫克 /Nm³)。


3 结语

（1）水泥窑及窑尾余热利用系统 NOx 产生源于回转窑内燃料型和热力型 NOx 以及分解炉燃料型 NOx。
（2）水泥窑低氮燃烧技术脱硝效率一般为 20-40%，选择性非催化还原技术脱硝效率一般为 30~70%，两种技术结合使用可降低水泥窑脱硝成本，并能够使之满足《水泥工业大气污染物排放标准》（GB 4915-2013）氮氧化物排放要求。

作者：黄伟为,段光福
机构：1. 河南省环境保护科学研究；

2. 河南建筑材料研究设计院有限责任公司

文章来源于：中国水泥备件网论坛

（www.cement365bbs.com）

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