CN102107116A

CN102107116A - 干法水泥窑炉燃煤产生氮氧化物的处理方法

Info

Publication number: CN102107116A
Application number: CN2011100053626A
Authority: CN
Inventors: 崔素萍; 兰明章; 王亚丽; 叶文娟; 李琛; 陈晶
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明公开了干法水泥窑炉燃煤产生氮氧化物的处理方法，属于氮氧化物的处理技术领域。本发明两种技术方案为：(1)在生料中加入还原剂，当回转窑中煤粉产生的气体进入到分解炉中与生料进行热交换时，还原剂将NOx还原成无害的N₂等排出；还原剂为煤粉或活性炭。(2)在生料中加入还原剂和催化剂，当回转窑中煤粉产生的气体进入到分解炉中与生料进行热交换时，生料中的还原剂与NOx发生催化还原反应，生产无害的N2等排出。所述还原剂为煤粉，所述催化剂为V₂O₅、CuO、MnO₂。本发明相比较传统的处理NOx的方法来说，更加的经济，便于操作，不用对水泥生产线做任何的更改，省去了对水泥生产尾气添加脱氮装置的过程。

Description

干法水泥窑炉燃煤产生氮氧化物的处理方法

技术领域

本发明属于氮氧化物NO_X的处理技术领域，尤其涉及到处理新型干法水泥窑中由于燃煤产生的NO_X的处理方法，氮氧化物NO_X包括一氧化氮NO，二氧化氮NO₂和一氧化二氮N₂O等。

背景技术

一直以来我国水泥工业都以“天然资源和能源消耗量大、利用效率低，粉尘及有害气体污染排放严重”等形象出现。相对而言，减排方面的研究和应用工作稍显滞后，对尾气的关注主要集中在粉尘污染物排放方面，对尾气中气相有害污染物(例如C化物、S化物、N化物之类的气体)的控制和减排研究没有给予足够的重视。

图1是新型干法回转窑炉烧成系统示意图。

水泥生产中熟料煅烧部分也就是烧成部分是水泥生产非常重要的一个环节，这部分主要由预热器、分解炉、回转窑、篦冷机四部分组成。生料经过预热器预热，到分解炉分解，气固分离后，已分解的生料入回转窑，此时料粉的分解率一般控制在90％左右。气体由下向上，生料在分解炉中分解所需的热量一部分由入分解炉的煤粉提供，另一部分来自回转窑窑尾烟室的气体，回转窑窑头处有喷煤机，会不断的往回转窑内喷入煤粉，煤粉剧烈燃烧提供的热可使烧成带的煅烧温度达到1500℃左右，另一方面也会进入分解炉中提供生料分解所需的热量，而回转窑的燃煤会产生大量的NOx。生料入回转窑。

处理水泥窑炉燃煤产生的NOx的方法有：

(1)燃烧前的控制技术

燃烧前的控制技术主要是燃料的脱氮，燃料脱氮技术至今尚未很好开发，有待于今后继续研究。

(2)燃烧中的控制技术

燃烧中的控制技术主要包括分级燃烧、低氧燃烧，以及烟气再循环。

分级燃烧技术——分级燃烧的基本原理是将煤粉燃烧过程分成两个阶段(主燃区和燃烬区)进行.将燃烧用空气分两次喷入炉膛，减少煤粉燃烧区域的空气量，使煤粉进入炉膛时就形成了一个富燃料区.第一阶段供给燃烧所需理论空气量的80％左右，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使燃烧速度和温度降低，因而抑制了热力型NOx的生成.同时，燃烧生成的CO和NO进行还原反应，以及燃料N分解成中间产物(如NH，CN，HCN和NH₃等)相互作用或使NO还原分解，抑制了燃料型NOx的生成；第二阶段将燃烧用空气的剩余部分以二次空气输入，成为富氧燃烧，此时空气量虽多，一些中间产物被氧化为NO，但因火焰温度低，NOx生成量不大，因而总的NOx生成量是降低的。采用空气分级燃烧一般可使NOx排放量降低30％～40％。

低氧燃烧技术——这是一种优化装置燃烧，降低NO_X生成量的简单方法，通过调整控制入窑炉空气量，保持每只燃烧器喷口合适的风粉比，或将窑炉尾部的低烟气直接或与二次风混合后送入炉膛，使煤粉燃烧尽可能在接近理论空气量条件下进行。一般来说，采用低氧量运行可降低NO_X排放15％～20％，但当炉膛内氧浓度过低(如低于3％以下)时，会造成烟气中CO浓度和飞灰含碳量的急剧升高，从而增加化学不完全燃烧和机械不完全燃烧损失，燃烧经济性下降。此外低氧燃烧会使炉膛内某些区域呈现还原性气氛，从而降低煤灰熔点引起炉膛水冷壁壁面结渣和高温腐蚀。因此，在设计窑炉时，应根据燃用煤质选取合适的出口过量空气系数，运行中应及时调整燃烧配风，避免出现因降低NO_X排放而导致其它一些运行问题的发生。

烟气再循环技术——烟气再循环是将尾部排烟中的一部分冷烟气(占总烟气量的10％以上)送入燃烧器，或与燃烧用空气相混合后送入燃烧区，使得燃烧用空气中的浓度下降，炉膛火焰温度降低而减少燃料型NO、热力型NO的生成量，一般能降低25％一35％。而烟气再循环法的脱NO的效果不仅与燃料种类有关，而且与再循环烟气量有关，当烟气再循环倍率增加时NO减少，但进一步增大循环倍率，NO的排放将趋于一个定值，该值随燃料含氮量增加而增大。但若循环倍率过大，炉温降低太多，会导致燃烧损失增加。因此，烟气再循环率一般不超过30％。当燃用难着火煤种时，由于受炉温和燃烧稳定性降低的限制，烟气再循环法不适用。国内外对燃烧方式的改进作了大量研究工作，开发了许多低NO_X燃烧技术和设备，并已在一些水泥炉窑上得到应用。根据燃烧过程中NOX的生成和破坏机理，燃烧过程控制技术控制NOX排放主要基于如下的策略：降低燃烧室内火焰的峰值温度；减少燃烧器内过剩空气系数和减少着火区的氧浓度；加入NO_X还原剂等。主要包括以下几类方法：低过剩空气系数(LEA)、空气分级燃烧(OFA)、烟气再循环(FGR)、燃料分级或者再燃烧技术、低NO_X燃烧器(LNBs)等。

但由于一些低NO_X燃烧技术和设备有时会降低燃烧效率，造成不完全燃烧损失增加，设备规模随之增大，NO_X的降低率也有限，所以目前低燃烧技术和设备尚未达到全面实用的阶段，我国由于经济水平的制约，主要是通过发展低NO_X燃烧技术来降低NO_X排放量；西方发达国家主要采用烟气净化技术和低NO_X燃烧技术联合控制NO_X的排放量。

(3)燃烧后的控制技术

目前国内水泥窑炉最常用的是燃烧后的控制技术。燃烧后的控制技术主要是指烟气脱销技术。按照反应体系的状态，脱硝技术大致可以分为湿法和干法。其中湿法包括：水吸收法、酸吸收法、碱液吸收法、氧化吸收法、络合吸收法以及生物净化法等。干法则包括：催化分解法、吸附还原法、电子束法、等离子体活化法、变温(变压)吸附法以及催化还原法等。干法脱硝占主流地位.其原因是NOx与SO₂相比缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；NOx经干法还原后成为无毒的N₂和O₂，脱硝的副产品便于处理；湿法与干法相比，主要缺点是装置复杂且庞大，副产品处理较难，电耗大。目前水泥窑炉窑尾烟气多采用催化还原法。催化还原法可分为选择性非催化还原法(SNCR)和选择性催化还原法(SCR)两大类。SCR需要特定的脱硝装置，其烟气脱硝原理为：在催化剂作用下，向温度约280～420℃的烟气中喷入氨，将NOx还原成N₂和H₂O，该法可以将废气中的NO排放浓度降至较低水平，国内外的研究者把注意力集中在了NO_X的选择性催化还原上。此法在国外已得到广泛应用。SNCR的脱销原理为：在没有催化剂作用下，向900～1100℃炉膛中喷入还原剂，还原剂迅速热解并与烟气中NOx反应生成N₂。

发明内容

本发明目的是提供一种新型干法水泥生产的水泥窑炉中燃煤产生NO_X的处理方法，从而减少水泥窑炉NO_X的排放量。

本发明根据新型干法水泥生产的原理，采用的两种技术方案为：(1)一种是在生料中加入还原剂，当回转窑中由于煤粉产生的气体(该气体中含有大量的NOx)进入到分解炉中与生料进行热交换的时候，还原剂与NOx发生反应，将NOx还原成无害的N₂等排出；生料与还原剂的质量比为13.8∶0.5～13.8∶2，还原剂为煤粉或活性炭。(2)一种是在生料中加入还原剂和催化剂，当回转窑中由于煤粉产生的气体(该气体中含有大量的NOx)进入到分解炉中与生料进行热交换的时候，生料中的还原剂在催化剂的催化作用下与NOx发生催化还原反应，将NOx还原成无害的N₂等排出。生料与还原剂和催化剂的质量比为13.8∶0.5∶0.5～13.8∶2∶2，所述还原剂为煤粉，所述催化剂为V₂O₅、CuO、MnO₂。

水泥生产的生料、熟料、煤粉之间有一个比例：1.65t生料最后产生1t孰料，1t孰料的产生需要0.12t的煤粉，本发明按照这样一个比例确定在生料中加入还原剂和催化剂的范围。

本发明结合新型干法水泥生产以及SCR、SNCR方法的特点，采用还原法处理NO_X，但是有区别于传统的SCR和SNCR方法，本发明将还原剂和催化剂直接加入到生料中，以期在水泥生产过程中发生还原反应，将煤粉燃烧生成的NOx还原成N₂。本发明相比较传统的处理NOx的方法来说，更加的经济，因为不需要其他的辅助仪器，只需要在生料中混合加入比较常见的催化剂和还原剂，经济效益非常可观；而且也便于操作，不用对水泥生产线做任何的更改，省去了对水泥生产尾气添加脱氮装置的过程。

附图说明

图1是新型干法回转窑炉烧成系统示意图

图2是实施例1生料与煤粉混合燃烧升温过程13个温度点NO变化趋势图。

图3为实施例2生料与活性炭混合燃烧升温过程13个温度点的NO变化趋势图。

图4为实施例3生料与煤粉、V₂O₅混合燃烧升温过程13个温度点的NO变化趋势图。

图5为实施例4生料与煤粉、CuO混合燃烧升温过程13个温度点的NO变化趋势图。

图6为实施例5生料与煤粉、MnO₂混合燃烧升温过程13个温度点的NO变化趋势图。

具体实施方式

以下列举实施例对本发明进行详细说明，但是本发明的实现不限于以下实例。以下实施例模拟实际水泥窑中的氛围所设计的实验，将生料与还原剂或生料与还原剂催化剂混合之后，往该混合物连续不断的通入NOx气体，在不同的温度点测试进口处的NOx和出口处的NOx的含量。

实验采取的方案是：生料中分别加入煤粉和活性炭作为还原剂，然后分别加入V₂O₅、CuO、MnO₂作为催化剂，混合均匀的样品在便携式烟气分析仪上进行测试，该便携式烟气分析仪质量流量计的量程分别为：5L(N₂)、250ml(O₂)、300ml(NO)，升温到850℃，在升温过程中选取250℃、300℃、350℃、400℃、500℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃这13个温度点测NO的含量。

实施例1

生料与煤粉混合。其混合比例为：11.596g生料与0.84g煤粉混合。

实施例2

生料与活性炭混合。其混合比例为：11.596g生料与0.84g活性炭混合。

实施例3

生料与煤粉、V₂O₅混合。其混合比例为：11.596g生料、0.84g煤粉混合、0.84gV₂O₅混合。

实施例4

生料与煤粉、CuO混合。其混合比例为：11.596g生料、0.84g煤粉混合、0.84g CuO混合

实施例5

生料与煤粉、MnO₂混合。其混合比例为：11.596g生料、0.84g煤粉混合、0.84g MnO₂混合

根据生料中加入还原剂的实验结果分析得出，生料中加入煤粉或者活性炭作为还原剂时，在250～400℃中低温度段没有对NO进行有效的还原，当温度进一步升高到500℃的时候，还原剂开始起作用，NO的含量开始减少。对于第一组样，温度升高到750℃的时候，NO完全消失，还原效率达到100％；对于第二组样，还原效率并不是很高，温度升高到850℃的时候，还原效率只是20.8％。第一种技术方案，即生料中加入还原剂时，加入煤粉和活性炭都能达到较好还原NOx的效果，并且加入煤粉作为还原剂比加入活性炭作为还原剂的效果更好。

根据生料中加入还原剂和催化剂的实验结果得出，第3组样温度升高到400℃的时候NO的含量开始减少，到750℃的时候NO完全消失，脱硝效率为100％；第4组样温度升高到500摄氏度的时候NO含量开始减少，到750℃的时候NO完全消失，脱硝效率达到100％；第5组样温度升高到400℃的时候NO发生少量的减少，后面随着温度的升高NO的含量稳定的减少，温度升高到850℃的时候NO完全消失。第二种技术方案，即在生料中加入还原剂和催化剂时，加入的V₂O₅、CuO、MnO₂催化剂都能达到很好的效果，并且V₂O₅、CuO作为催化剂的效果较MnO₂更为理想。

综合可以得出结论：①生料中加入煤粉和活性炭都能达到较好还原NOx的效果，并且加入煤粉作为还原剂比加入活性炭作为还原剂的效果更好。②在生料中加入还原剂和催化剂的时候，选择煤粉作为还原剂的效果较为理想，加入的V₂O₅、CuO、MnO₂催化剂都能达到很好的效果，并且V₂O₅、CuO作为催化剂的效果较MnO₂更为理想。

表1实施例1-5在不同温度的NO含量

Claims

1.一种新型干法水泥生产的水泥窑炉中燃煤产生氮氧化物的处理方法，其特征在于，是在生料中加入还原剂，当回转窑中由于煤粉产生的含有Nox的气体进入到分解炉中与生料进行热交换的时候，还原剂与NOx发生反应，将NOx还原成无害的N₂排出；生料与还原剂的质量比为13.8∶0.5～13.8∶2，还原剂为煤粉或活性炭。

2.按照权利要求1的处理方法，其特征在于，生料与还原剂的质量比为13.8∶1。

3.一种新型干法水泥生产的水泥窑炉中燃煤产生氮氧化物的处理方法，其特征在于，是在生料中加入还原剂和催化剂，当回转窑中由于煤粉产生含有NOx的气体进入到分解炉中与生料进行热交换的时候，生料中的还原剂在催化剂的催化作用下与NOx发生催化还原反应，将NOx还原成无害的N₂排出；生料与还原剂和催化剂的质量比为13.8∶0.5∶0.5～13.8∶2∶2，所述还原剂为煤粉，所述催化剂为V₂O₅、CuO或MnO₂。

4.按照权利要求3的处理方法，其特征在于，生料与还原剂和催化剂的质量比为13.8∶1∶1。