CN100475314C - 一种水泥窑烟气NOx控制工艺及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水泥窑烟气NOx控制工艺及其装置。将SNCR和SCR脱除法有机地结合在一起，首先采用SNCR脱除法的原理，将水泥窑窑尾排出的高温NOx烟气送入分解炉中，在900～1050℃温度下，喷射过量的还原剂，使烟气中大部分NOx被还原为无害的N2和H2O；未脱除的NOx及剩余的还原剂随着烟气进入预热器，与预热器中的物料进行热交换后，再采用SCR脱除法的原理，进入直通均流式反应塔，在350℃左右和催化剂的作用下，烟气中的NOx被还原为无害的N2和H2O。本发明具有工艺路线合理、脱除效率高、氨泄漏率小的优点，水泥窑NOx烟气排放浓度可控制在200mg/Nm3以下，并且投资省，运行成本低，操作方便。
Description
技术领域
本发明属于水泥制造技术领域，涉及一种烟气净化技术，特别是一种对水泥窑产生的氮氧化物(NOx)烟气采用选择性非催化还原法(SNCR)及选择性催化还原法(SCR)联合脱除方法进行治理的工艺及其装置。
背景技术
在新型干法水泥生产工艺中，水泥回转窑是水泥熟料烧成的关键技术装备，也是NOx的主要来源，在其运行中产生大量的NOx烟气，根据有关监测数据显示，大约在800～1600mg/Nm3左右，大部分水泥厂达不到《水泥工业大气污染物排放标准》GB4915-2004规定的小于800mg/Nm3要求，而在德国、美国等发达国家的环保标准要求是小于200～500mg/Nm3。因此，水泥回转窑NOx的排放已成为水泥厂的主要污染源之一，造成的大气污染已严重破坏了生态环境。据统计，水泥工业的NOx总量已是居火力发电、汽车尾气之后的第三大NOx排放大户。
目前，用于新型干法水泥回转窑烟气NOx的控制技术，主要有选择性非催化还原(SNCR)脱除法和选择性催化还原(SCR)脱除法。
SNCR脱除法是在1000℃左右的分解炉中加入尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH)作为还原剂，NOx在950～1050℃的温度范围内被还原剂还原为无害的N2和H2O，其反应式为：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
由于SNCR脱除法必须在900～1050℃的温度下才能发生有效的反应，当温度低于800℃时，NH3与NO的反应速度很慢；当温度高于1300℃时NH3转变为NO的趋势会变得明显，其反应式为：
4NH3+5O2→4NO+6H2O
同时，由于分解炉内的粉尘浓度高、流场波动大、生料成分复杂，所以其NOx的脱除效率相对较低，只有30～40％左右，且存在着氨泄漏量大的问题。
SCR脱除法是在水泥窑的预热器出口的管道上把烟气(约350℃)引入SCR反应塔，在管道上加入尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH)作为还原剂，NOx在催化剂作用下被氨还原为无害的N2和H2O，其反应式为：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O
NO2+NO+2NH3→2N2+3H2O
虽然SCR脱除法对NOx的脱除效率较高，但SCR脱除法需要使用价格昂贵的钒、钨类的金属催化剂，且消耗量大，其投资和运行成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种水泥窑烟气NOX控制工艺，其工艺路线合理，有机地将SNCR和SCR脱除法结合在一起，脱除效率高，氨泄漏率小，水泥窑NOx烟气排放浓度可控制在200mg/Nm3以下。同时，本发明还提供一种实现上述工艺的装置，其投资省，运行成本低，并且操作方便。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种水泥窑烟气NOX控制工艺：首先采用SNCR脱除法的原理，将水泥窑窑尾排出的高温NOx烟气送入分解炉中，在900～1050℃温度下，喷射过量的还原剂，使烟气中部分NOx被还原为无害的N2和H2O；未脱除的NOx及剩余的还原剂随着烟气进入预热器，与预热器中的物料进行热交换后，再采用SCR脱除法的原理，进入直通均流式反应塔，在300～380℃和催化剂的作用下，烟气中的NOx被还原为无害的N2和H2O；脱除NOx后的烟气再送入后续的除尘器过滤粉尘，净化后经主排风机，由烟囱排出。
上述还原剂为尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH)，NOx与NH3的摩尔比为1∶2.8～3.5。
一种水泥窑烟气NOX控制装置，包括分解炉、预热器、直通均流式反应塔、高温风机和还原剂制备供给装置；分解炉的下端通过烟气管道与水泥窑的窑尾相通连，引入高温的NOx烟气；在分解炉内腔的下部安装有多把与还原剂制备供给装置相连的喷枪，以喷射过量的还原剂，在900～1050℃温度下，将烟气中60～65％的NOx还原成N2和H2O；分解炉的上端与预热器通过烟气管道相通连，以与预热器中的物料进行热交换；预热器的上端经烟气管道与直通均流式反应塔上端的进气口相通连，将降至300～380℃的烟气输入直通均流式反应塔中；在直通均流式反应塔的中部装有催化剂模块，烟气中未被脱除的NOx及剩余的还原剂在催化剂模块的作用下还原成N2和H2O；在催化剂模块的上方设有声波清灰器，用于清除催化剂模块表面的积灰；直通均流式反应塔的下端接有灰斗，灰斗的下口接有锁风卸料器，灰斗的侧面设有出气口，该出气口与高温风机相通连。高温风机通过风管将脱除NOx后的烟气送至生料立磨或除尘器继续除尘净化，净化后的气体由主排风机引入烟囱，排入大气。
上述催化剂模块包含有板状催化剂和笼架，板状催化剂是以钢丝网作为支撑骨架，在支撑骨架上通过粘胶涂覆有催化剂粉而制成，其上端大、下端小呈楔块形；数块板状催化剂分多层均匀地置于笼架内。由于采用上大下小的楔块形板状催化剂，从而使粉尘不易粘附在其侧面，减少了粉尘对催化剂缝隙的堵塞和对催化剂模块的磨损，延长了催化剂模块的使用寿命，适用于高浓度粉尘的处理。
上述灰斗为偏心式灰斗，可防止粉尘结拱，导致灰斗堵灰；并在偏心式灰斗的出气口处设有百叶窗式过滤板，以脱除部分粉尘，减少粉尘对高温风机的磨损，过滤出的粉尘直接落入灰斗内，由锁风式卸料器输出。
在直通均流式反应塔的内上部设有均流板，使烟气均匀地通过催化剂模块，以提高对NOx的脱除效率。
上述还原剂制备供给装置包含有搅拌罐、储液罐、压缩空气站、泵站；带有搅拌器的搅拌罐通过输送泵与储存罐的上部相通连，以将制备好的还原剂溶液输入到储液罐中；储液罐与添加泵的输入端相连，添加泵的输出端分成两路，一路与储存罐相连，形成多余还原剂溶液的回路，另一路与泵站的进液口相连；泵站的进气口通过减压阀与压缩空气站相连；泵站的出气口和出液口分别经供液气管和供液管及闸板与喷枪相连，将还原剂溶液喷出，形成雾化的小液滴至分解炉内。
包含有控制柜和烟气取样探头A、探头B的控制机构，与控制柜相连的烟气取样探头A和B分别置于直通均流式反应塔的进气口和出气口处；控制柜还与还原剂供给装置和声波清灰器相连，根据烟气取样探头A和B的前馈和反馈信号，通过控制柜自动调节喷枪所喷出的还原剂流量、压力及雾化效果，以保证直通均流式反应塔出口的NOx浓度满足环保标准的排放要求，并定时对催化剂模块进行清灰，清除催化剂表面的积灰。
上述安装于分解炉内的多把喷枪，呈二至四层、交错分布，以消除喷雾死角，提高脱除效果。
本发明的有益效果在于：由于将SNCR脱除法和SCR脱除法有机的结合在一起，充分利用分解炉内的高温条件，在分解炉内喷入过量的还原剂，提高了SNCR脱除效率，脱除了烟气中大部分NOx，降低SCR脱除法的工作压力，使后续的直通均流式反应塔规模大大减小，相应的催化剂模块的用量也大大降低，节省了装备投资，降低了运行成本，且过量的还原剂会与烟气中未脱除的NOx在直通均流式反应塔内，在催化剂的作用下将烟气中的NOx基本脱除，不仅脱除效率高，而且氨泄漏率小。因此，本发明具有工艺路线合理、脱除效率高、氨泄漏率小的优点，水泥窑NOx烟气排放浓度可控制在200mg/Nm3以下，并且投资省，运行成本低，操作方便。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明所采用的还原剂制备供给装置的结构示意图；
图3为本发明所采用的直通均流式反应塔的结构示意图；
图4为本发明所采用的催化剂模块的结构示意图。
图中：1为还原剂制备供给装置、1-1为闸阀、1-2为减压阀、1-3为泵站、1-4为供气管、1-5为供液管、1-6为喷嘴、1-7为喷枪、1-8为添加泵、1-9为储存罐、1-10为过滤器、1-11为输送泵、1-12为搅拌罐、1-13为搅拌器、1-14为压缩空气站、2为水泥回转窑、3为分解炉、4为管道、5为预热器、6为直通均流式反应塔、6-1为进气口、6-2为均流板、6-3为声波清灰器、6-4为催化反应室、6-5为催化剂模块、6-5-1为板状催化剂、6-5-2为笼架、6-6为灰斗、6-7为出气口、6-8为百叶窗式过滤板、6-9为锁风卸料器、7为PLC控制柜、8为高温风机、A和B为烟气取样探头、8为高温风机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
水泥窑烟气NOX控制工艺：从水泥回转窑2的窑尾排出的1000℃以上的高温烟气，烟气中NOx的浓度约为1000mg/Nm3左右，通过管道4以10m/s的流速进入分解炉3内，由还原剂制备供给装置提供的尿素、氨水等还原剂溶液以25％的浓度、0.2L/s的流量从分解炉下部喷枪喷入烟气中，从而使NOx与还原剂的摩尔比约为1∶3.0～3.2；在900～1050℃的温度窗口下，与烟气中的NOx发生还原反应，生成无害的N2和H2O，使烟气中的NOx大部分被脱除。未能脱除的NOx和剩余的还原剂从分解炉3的上部通过管道4随烟气一起进入预热器5与物料进行热交换，烟气温度下降到约350℃左右后，从预热器5的顶部排出，通过管道4进入直通均流式反应塔6。在直通均流式反应塔6中，未脱除的部分NOx在催化剂的作用下，与过量的还原剂继续发生还原反应，生成无害的N2和H2O，烟气中的NOx的浓度可降至200mg/Nm3以下。再在高温风机8的作用下进入后续的除尘器过滤除尘后，由主排风机引入烟囱，排入大气。
水泥窑烟气NOX控制装置：包括还原剂制备供给装置1、分解炉3、管道4、预热器5、直通均流式反应塔6、高温风机8和控制机构。回转窑2的尾端与分解炉3的下端相通连，在分解炉3的内腔下部装有12把与还原剂制备供给装置1相连的喷枪1-7，喷枪1-7呈三层、交错分布，以消除喷雾死角；喷枪1-7将过量的还原剂溶液喷入分解炉3中，在900～1050℃温度下，将部分NOx还原成N2和H2O；分解炉3的上端与预热器5通过烟气管道4相通连，以与预热器5中的物料进行热交换；预热器5的上端经烟气管道4、高温风机8与直通均流式反应塔6上端的喇叭状进气口6-1相通连，将降至350℃左右的烟气输入直通均流式反应塔6中；在直通均流式反应塔6的内上部设有数块呈∧形的均流板6-2，在直通均流式反应塔6的中部空腔为装有催化剂模块6-5的催化反应室6-4，烟气中未被脱除的NOx及剩余的还原剂在催化剂模块6-5的作用下进一步还原成N2和H2O；上述催化剂模块6-5包含有板状催化剂6-5-1和笼架6-5-2，板状催化剂6-5-1是以钢丝网作为支撑骨架，在支撑骨架上通过粘胶涂覆有钒、钨类催化剂粉而制成，其上端大、下端小呈楔块形；数块板状催化剂6-5-1分多层均匀地置于笼架6-5-2内。由于采用上大下小的楔块形板状催化剂6-5-1，从而使粉尘不易粘附在其侧面，减少了粉尘对板状催化剂本6-5-1缝隙的堵塞和对催化剂模块6-5的磨损，延长了催化剂模块6-5的使用寿命，特别适用于高浓度粉尘的处理。在催化剂模块6-5的上方设有声波清灰器6-3，用于清除催化剂模块6-5表面的积灰；直通均流式反应塔6的下端接有灰斗6-6，灰斗6-6的下口接有锁风卸料器6-9，灰斗6-6的侧面设有喇叭状的出气口6-7，该出气口6-7与高温风机8相通连；上述灰斗6-6为偏心式灰斗，可防止粉尘结拱，导致灰斗堵灰；并在灰斗6-6的出气口6-7处设有百叶窗式过滤板6-8，以脱除部分粉尘，减少粉尘对高温风机8的磨损，过滤出的粉尘直接落入灰斗6-6内。高温风机8通过风管将脱除NOx后的烟气送至后续的除尘器继续除尘净化，净化后的气体由主排风机引入烟囱，排入大气。
本发明所采用的还原剂制备供给装置1包含有由闸阀1-1、减压阀1-2、泵站1-3、供气管1-4、供液管1-5、喷嘴1-6、喷枪1-7、添加泵1-8、储存罐1-9、过滤器1-10、输送泵1-11、搅拌罐1-12、搅拌器1-13。其中搅拌器1-13安装在搅拌罐1-12内，过滤器1-10安装在搅拌罐1-12内，通过管道、闸阀1-1与输送泵1-11相连，输送泵1-11经管道和闸阀1-1与储存罐1-9的上部相连接，将制备好的还原剂溶液送入储存罐1-9，储存罐1-9内装有过滤器1-10，储存罐1-9中的溶液经过滤器1-10过滤后除去杂质，添加泵1-8的一端通过管道和闸阀1-1与储存罐1-9相通连，另一端通过闸阀1-1后分为两路，一路通过管道和闸阀1-1与储存罐1-9相连形成多余还原剂溶液的回路，另一路通过管道与泵站1-3的进液口相连。泵站1-3的进气口通过闸阀1-1、减压阀1-2和管道与压缩空气站1-14相连通，泵站1-3的出气口和出液口分别通过管道分别与环形的供气管1-4和环形的供液管1-5相通连。供气管1-4和供液管1-5分别通过闸阀1-1、管道和喷枪1-7的两个接口相通连。喷嘴1-6安装在喷枪1-7的端部，还原剂溶液通过喷嘴1-6喷出形成雾化的小液滴至分解炉3内。
本发明所采用的控制机构包含有控制柜7、烟气取样探头A和探头B，与控制柜7相连的烟气取样探头A和B分别置于直通均流式反应塔6的进气口6-1和出气口6-7处，以控制进出直通均流式反应塔6的NOx、NH3浓度和烟气温度等工况参数。PLC控制柜7与还原剂制备供给装置1的泵站1-3、添加泵1-8、搅拌罐1-12、储存罐1-9、输送泵1-11、搅拌器1-13相连，用于自动控制向喷枪1-7提供还原剂和压缩空气的压力，以保证喷雾嘴1-6的流量、压力及雾化效果，并且根据烟气成分和温度等工况的变化实现流量的自动调节，同时控制各泵的开停，保持搅拌罐1-12和储存罐1-9的液位稳定。PLC控制柜7还与声波清灰器6-3相连，定时对催化剂模块6-5进行清灰，清除催化剂表面的积灰。
本发明由于将SNCR脱除法和SCR脱除法有机的结合在一起，充分利用分解炉3内的高温条件，在分解炉3内喷入过量的还原剂，提高了SNCR脱除效率，在分解炉3内把烟气中大部分NOx脱除，降低SCR脱除法的工作压力，使后续的直通均流式反应塔6的规模大大减小，催化剂的用量也大大降低，节省了装备投资，降低了运行成本，且过量的还原剂会与烟气中的未脱除的NOx在直通均流式反应塔6内，在催化剂的作用下将烟气中的NOx基本脱除，不仅NOx脱除效率高，而且氨的泄漏率小。因此，本发明具有工艺路线合理、NOx脱除效率高、氨泄漏率小的优点，水泥窑NOx烟气排放浓度可控制在200mg/Nm3以下，并且投资省，运行成本低，操作方便。
Claims (9)
1、一种水泥窑烟气NOX控制工艺，其特征在于：将水泥窑窑尾排出的高温NOx烟气送入分解炉中，在900～1050℃温度下，喷射过量的尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH)还原剂，使烟气中60～65％的NOx被还原为无害的N2和H2O；未脱除的NOx及剩余的还原剂随着烟气进入预热器，与预热器中的物料进行热交换后，进入直通均流式反应塔，在300～380℃和钒、钨类催化剂的作用下，烟气中的NOx被还原为无害的N2和H2O。
2、根据权利要求1所述的一种水泥窑烟气NOX控制工艺，其特征在于：烟气中NOx与还原剂中NH3的摩尔比为1∶2.8～3.5。
3、一种用于权利要求1所述工艺的水泥窑烟气NOX控制装置，其特征在于：包括分解炉、预热器、直通均流式反应塔、高温风机和还原剂制备供给装置；分解炉的下端通过烟气管道与水泥窑的窑尾相通连，在分解炉内腔的下部安装有多把与还原剂制备供给装置相连的喷枪；分解炉的上端与预热器通过烟气管道相通连，预热器的上端经烟气管道与直通均流式反应塔上端的进气口相通连；在直通均流式反应塔的中部空腔装有催化剂模块，在催化剂模块的上方设有声波清灰器；直通均流式反应塔的下端接有灰斗，灰斗的下口接有锁风卸料器，灰斗的侧面设有出气口，该出气口与高温风机相通连。
4、根据权利要求3所述的水泥窑烟气NOX控制装置，其特征在于：上述催化剂模块包含有板状催化剂和笼架，板状催化剂是以钢丝网作为支撑骨架，在支撑骨架上通过粘胶涂覆有催化剂粉而制成，其上端大、下端小呈楔块形；数块板状催化剂分多层均匀地置于笼架内。
5、根据权利要求3所述的水泥窑烟气NOX控制装置，其特征在于：上述灰斗为偏心式灰斗，可防止粉尘结拱，导致灰斗堵灰；并在偏心式灰斗的出气口处设有百叶窗式过滤板，以脱除部分粉尘，减少粉尘对高温风机的磨损，过滤出的粉尘直接落入灰斗内，由锁风式卸料器输出。
6、根据权利要求3所述的水泥窑烟气NOX控制装置，其特征在于：在直通均流式反应塔的内上部设有使烟气均匀地通过催化剂模块的均流板。
7、根据权利要求3所述的水泥窑烟气NOX控制装置，其特征在于：上述还原剂制备供给装置包含有搅拌罐、储液罐、压缩空气站、泵站；带有搅拌器的搅拌罐通过输送泵与储存罐的上部相通连；储液罐与添加泵的输入端相连，添加泵的输出端分成两路，一路与储存罐相连，形成多余还原剂溶液的回路，另一路与泵站的进液口相连；泵站的进气口通过减压阀与压缩空气站相连；泵站的出气口和出液口分别经供液气管和供液管及闸板与喷枪相连。
8、根据权利要求3所述的水泥窑烟气NOX控制装置，其特征在于：上述安装于分解炉内的多把喷枪，呈二至四层、交错分布。
9、根据权利要求3所述的水泥窑烟气NOX控制装置，其特征在于：包含有控制柜和烟气取样探头A、探头B的控制机构，与控制柜相连的烟气取样探头A和B分别置于SCR反应炉的进气口和出气口处；控制柜还与还原剂供给装置和声波清灰器相连。
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