CN102292303A - 用于净化来自熟料生产厂的燃烧烟气流的方法以及相关的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于净化来自熟料生产厂的燃烧烟气流的方法，其包括以下操作步骤：a)在250至400℃之间的温度下从离开悬浮预热器的燃烧烟气流中除去粉尘，形成脱除了粉尘的燃烧烟气流；b)对所述脱除了粉尘的燃烧烟气流用还原剂进行选择性催化的NOx还原处理，形成净化的燃烧烟气流。本发明还涉及用于实施前述方法的设备。

Description

用于净化来自熟料生产厂的燃烧烟气流的方法以及相关的设备
本发明涉及一种用于净化来自熟料生产厂的燃烧烟气流的方法以及相关的设备。
水泥是用于粘合惰性固体材料，例如沙子和砂砾的水硬性胶凝材料，从而形成混凝土和砂浆，即用于建筑的基本组分。
在工业规模上，水泥通过熟料和石膏与调节物质，例如石灰、矿渣和火山灰的混合和研磨制成。
在根据已知作为“干”法技术用于制备水泥的方法中，通过主要由石灰(碳酸钙)和粘土(二氧化硅，氧化铝，铁氧化物以及结晶水)组成的原料混合物的高温焙烧获得熟料。这些原料以固体状态以期望的比例混合并且之后进行精细的研磨直到获得已知作为“生料”(或“原料混合物”)的均匀的粉末。在本说明书中，因此我们通过“生料”或“原料混合物”表示由此获得的用作生产熟料的起始原料的均匀粉尘。
借助在主要由倾斜的旋转圆筒组成的回转窑中在大约1450℃的温度下焙烧将生料转化为熟料。
其在回转窑中运送期间，将生料加热到大约1450℃的温度。加热生料期间首先进行彻底煅烧，之后反应形成代表熟料主要成分的硅酸钙和铝酸钙(熟料烧成反应)。更特别地，熟料烧成反应期间，钙氧化物、硅氧化物、铝氧化物和铁氧化物之间存在一系列的化学反应，所述反应通过部分原料本身(铝氧化物和铁氧化物)的熔化而得到促进。
使熟料烧成反应发生所必须的能量借助定位于回转窑头端(就生料装载进的那端的相反端)的燃烧器产生。通常使用的燃料为煤，焦炭，燃油，甲烷以及可替代的燃料，例如肉粉。
通过在燃烧器的焙烧区域中(大约2000℃的温度)辐射以及通过借助于在炉子的剩余部分中燃烧气体的对流和传导将热能传递给经受处理的生料。
在焙烧处理结束时，由此获得的熟料从回转窑排出并且在空气冷却器中快速冷却以便使之稳定。
根据现有技术的方法参考以下附图描述和讨论。
-图1A显示了根据现有技术的熟料制备工厂的图示，其包括装备有4级悬浮预热器的回转窑；
-图1B显示了根据现有技术的熟料制备工厂的图示，其包括装备有5级悬浮预热器和预煅烧炉的回转窑；
在前述附图中实线表示固体材料的流动，虚线表示气态物流的流动，而罗马数字表示悬浮预热器的级。
在现有技术中已知的熟料生产厂中，将生料添加到回转窑中之前，进行预热以及任选的预煅烧处理。
目前最广泛使用的预热技术中的一种基于所谓的“悬浮预热器”或“多级旋风预热器”(下文还称为“预热器”)的使用，其由其中每个预热步骤都在一个或多个旋风器中进行的旋风塔组成。
在这种类型的预热器中，通过第一旋风器我们表示其中第一预热步骤和预热的生料和燃烧烟气之间的第一分离发生的旋风器，通过第二旋风器我们表示其中第二预热步骤和预热的生料和燃烧烟气之间发生第二分离的旋风器，且该多级旋风预热器的后续旋风器也类似地定义。在本说明书中，预热器的第一旋风器恰好类似于后续的旋风器，应当总是根据以上限定解释说明。
与后续的步骤不同，第一步骤配置为使通过来自炉子的燃烧烟气承载的粉尘最少化。除此之外，离开预热器的燃烧烟气中的粉尘的浓度保持较高(在50-100g/Nm3左右)。
预热和预煅烧步骤分别在预热器1和预煅烧炉2(图1A和1B)中进行。这些步骤的存在允许预热到大约950℃温度经部分煅烧(30-40％)的生料进料到回转窑3中，且在后续的熟料烧成反应中显著节省能量。
预热步骤的存在，任选其后伴有预煅烧步骤，也允许使用减小了尺寸的回转窑，因此减少了在这样的炉子中产生的热损失并且提高了熟料生产工艺的总能效。
在预热器中，使起始生料逐渐由40℃的温度升高到大约950℃。进行加热以保持生料悬浮在热气流中，所述热气流由回转窑的燃烧烟气和任选的预煅烧炉的燃烧烟气组成，采用在生料和气相之间的大的热交换表面。
在预热步骤中，固相(生料)与气相(回转窑的燃烧烟气)接触的时间量具有基本的重要性。为了保证固相和气相之间最佳的接触时间，悬浮预热器由一系列一个布置在另一个顶部以形成可变化高度的塔的旋风器(4到6个)组成，该塔甚至高达130-150m。这样的预热器可以定义为多级旋风预热器。在塔的顶端发生的第一预热步骤可以在平行的两个旋风器中进行以保证生料离开预热器之前，其与气流更好的分离效率。
参考图1A，在多级旋风预热器1中，来自回转窑3且具有大约900-1000℃温度的燃烧烟气从底部到顶部(从IV到I)穿过旋风器。在预热器1中起始生料与燃烧烟气混合，生料通过布置在预热器顶部在第一(I)旋风器和第二(II)旋风器之间的入口4引入预热器1内部。生料穿过预热器向上到较低部分的出口，通过燃烧烟气流从一个旋风器运送至另一个。在每一个旋风器中，大约80％的固相(生料)与气相(燃烧烟气)分离以便之后再一次引入到进入下面的旋风器的气相中。另一方面，含有剩余固体级分的气相(大约20％的生料)流向上面的下一个旋风器。
在预热器1的底部，获得了大约950℃的温度的预热的生料。在多级旋风预热器中来自最后的预热步骤的生料直接排放到用于后续熟料烧成反应的回转窑3中。
在装备有预煅烧炉2(图1B)的工厂中，将预热的生料从预热器1中进料到合适的燃烧室5中，其装备有燃烧器6，在其内部进行部分煅烧过程。预煅烧的生料离开预煅烧炉2并且与预煅烧炉2的燃烧烟气一起进料到预热器1的最后一级(V)中从而之后继续流向回转窑3。预煅烧炉2的燃烧烟气与回转窑3的那些一起流动并且在第一旋风处理之后从预热器1中爬升到顶部出口7处。
从预热器的出口7处离开的包含有回转窑3的燃烧烟气以及任选的预煅烧炉2的那些燃烧烟气的气流具有大约270-360℃的温度。
在根据现有技术的熟料生产厂中，在被释放进入大气之前，该气流通常用于水泥生产过程中的其他步骤(例如用于原料的研磨和干燥或者另外作为回转窑或预煅烧炉中的燃烧空气)以回收其热含量。
水泥生产厂中熟料的制备类似于上述中的一种，产生大体积的气体排放，这会潜在地污染环境。
离开预热器的气流的特征在于高浓度的污染物质，特别是氮的氧化物(NOx)和粉尘。
NOx主要来自在回转窑和任选的预煅烧炉中发生的燃烧过程。目前用于减少离开预热器的气流中的NOx的主要技术为以下两种：
-预示NOx与还原剂(例如氨或脲)在预热器的高温区域中反应的选择性非催化还原(SNCR)；
-预示NOx与作为还原剂的NH3在催化剂的存在下反应的选择性催化还原(SCR)。
如果是对具有800-900℃温度的气流使用，则SNCR技术是有效的且其允许存在的大部分NOx被还原。
SCR技术的应用，仅仅近来用于电能生产领域并且在水泥领域还处于发展阶段，其允许获得非常高的还原产率(超过90％)。如果对具有大约300和400℃之间的温度下的气流上使用，则SCR技术是有效的。
考虑到这一用于NOx还原的最佳温度范围，将SCR装置安装在熟料生产厂中，就燃烧烟气的流动方向而言，预热器的紧下游。
在预热器的出口处，第一旋风处理步骤之后，燃烧烟气处于大约270-360℃的温度并且含有大量的NOx(＞1g/Nm3)和50-100g/Nm3的粉尘。
这种应用于熟料生产厂的NOx还原技术通常在文献中表示为术语“高粉尘SCR”，因为NOx的还原未除去粉尘地在气态流出物中进行。
该技术的应用具有多种主要与离开预热器的燃烧烟气中大量粉尘的存在相关的缺点。沉积在催化剂表面上的粉尘降低了还原体系SCR的效率，同时增加了对气流通过阻力并且因此增加了与气流移动相关的能量消耗。
处理过的气态流出物中粉尘的存在还意味着与需要用压缩空气清洁催化剂相关的高能量消耗，以及由于粉尘对催化剂床表面施加的磨损作用，降低了催化剂的使用寿命。粉尘的大量存在主要与组成预热器的旋风器的粉尘除去的有限效率相关。虽然将它们设计为使分离效率最大化，但是旋风器仅仅能够有效分离较重的粉尘。
高粉尘-SCR技术的第二个缺点表现为在离开预热器的燃烧烟气中还存在由回转窑和预煅烧炉中的燃烧器可替代的燃料的燃烧产生的灰分事实，例如肉粉。灰分(含有磷酸盐)的存在导致催化剂中毒并且其在NOx还原中的效率随之降低。
有时，烟气中存在硫氧化物，主要是SO2的形式，这取决于使用的原料中的硫含量。
在这些情况中SO2的减少可以通过在燃烧烟气中注入基于氧化钙和/或氢氧化钙的化合物，随后形成硫酸钙的方法进行，所述硫酸钙能够有利地在熟料制备过程中再循环。根据前述技术在气相中硫氧化物的减少效率还受到烟气中存在的高浓度粉尘的限制，这使得几乎不可能再循环未反应的石灰。
以上描述的高粉尘-SCR净化技术的替代为“低粉尘-SCR技术”。该技术预示借助对已经借助过滤除去了粉尘的燃烧烟气进行SCR技术还原NOx。燃烧烟气的过滤将粉尘的含量显著降低到约5-10g/Nm3，避免了催化剂的堵塞以及后续选择性催化的NOx还原工艺的管理问题。
在采用低粉尘-SCR技术的工厂中，NOx的还原作为“末端治理(endof pipe”技术进行，即在被释放到大气中之前，燃烧烟气的最后一个处理步骤。
目前认为末端治理技术的应用是在熟料生产厂中使用低粉尘-SCR技术的仅有的可能的方法。实际上，在几乎所有的这些工厂中，使用的从燃烧烟气中除去粉尘的技术是在织物过滤器上过滤，这些是能够保证目前的环境标准设定的低排放水平的仅有的装置。
但是，织物过滤器仅能够在有限的温度范围内操作。根据使用的织物的类型变化的同时，操作温度从来没有超过250℃。低粉尘-SCR技术的使用因此需要安装用于降低待过滤(例如增湿塔，热交换器，稀释空气插入件)的气体流出物的温度的合适体系，相应增加了用于工厂的投资成本以及用于净化燃烧烟气的工艺的总能量消耗。
此外，由于在粉尘过滤之后选择性催化还原步骤要求处理的气态流出物的温度在300-400℃的范围内以便进行有效的NOx还原，因此有必要在进料到还原器SCR之前，将脱除了粉尘的燃烧烟气加热。这当然意味着净化工艺的能量消耗的进一步增加。
所有这些缺点迄今为止都阻止了如低粉尘-SCR的有前景的技术在来自熟料生产厂的燃烧烟气的净化领域中的应用。
本发明的目的在于克服现有技术中突出的这些缺点。
因此，本发明的第一个目标在于用于净化来自熟料生产厂的燃烧烟气流的方法，其包括以下操作步骤：
a)在250至400℃之间的温度下从离开悬浮预热器的燃烧烟气流中除去粉尘，形成脱除了粉尘的燃烧烟气流；
b)对所述脱除了粉尘的燃烧烟气流用还原剂进行选择性催化的NOx还原处理，形成净化的燃烧烟气流。
本发明的第二个目标在于用于实施来自熟料生产厂的燃烧烟气流的净化方法的设备，其包含：
i)用于在300至400℃之间的温度下从离开悬浮预热器的燃烧烟气流中除去粉尘形成脱除了粉尘的燃烧烟气流的机构；
ii)用于使用还原剂对脱除了粉尘的燃烧烟气流进行选择性催化的NOx还原处理形成净化的燃烧烟气流的机构，用于进行所述处理的所述机构与粉尘除去机构连接，其从所述粉尘除去机构接收脱除了粉尘的燃烧烟气流。
对于本发明的目的，术语“燃烧烟气”表示在悬浮预热器内部使用的预热生料的气流，所述气流包含离开熟料焙烧炉的燃烧烟气以及任选地，如果存在的话，离开预煅烧炉的燃烧烟气。
根据本发明的方法和设备的优选的实施方案在附图2中图示。
还在图2中，实线表示固态材料流，虚线表示气态物流的流动，而罗马数字表示悬浮预热器的旋风器。
在图2所示的方法的实施方案中，来自回转窑8的燃烧烟气流11在多级旋风预热器9中从底部向顶部流动到达布置在预热器9的顶部的出口12处。
起始生料13通过布置在第一(I)旋风器和第二(II)旋风器之间的入口18引入预热器9中。在预热器9中生料13与保持悬浮在气相中的燃烧烟气11混合并且同时进行加热。生料13以与向上流动的燃烧烟气流11相反的方向从顶部到底部经过预热器9。在预热结束时，温度为约950℃的预热的生料14从预热器9排出进入回转窑8中，在那里其进行之后的熟料烧成反应。
离开预热器9的出口12的燃烧烟气流11进料到根据本发明的方法的步骤a)中。在步骤a)中烟气流11在250和400℃之间的温度下进行粉尘除去，优选在270和360℃之间。这些温度范围通常是离开4-6级旋风悬浮预热器的头端的燃烧烟气流所遇到的那些温度范围。
在图2图示的实施方案中离开预热器9的燃烧烟气流11的粉尘除去使用静电沉淀技术进行。为此目的，根据本发明的设备包括电过滤器10。该电过滤器10允许处于高温(250-400℃)的燃烧烟气流11脱除了粉尘，从而避免了在织物过滤器上过滤的情况下基本的气流冷却操作。
对于本发明的目的，代替静电沉淀，可以使用适合于在与电过滤器相同的操作温度下从离开预热器的燃烧烟气中除去粉尘的任何其他过滤技术。
在根据本发明的方法的步骤a)中，形成脱除了粉尘15的燃烧烟气流和主要包含部分预热的生料的粉尘残余物16。由此回收的生料可以在熟料生产工艺内再循环，例如其再次通过入口18引入预热器9中。
与用于进行步骤a)的机构无关，步骤a)中燃烧烟气流11的粉尘除去将脱除了粉尘的燃烧烟气流15中粉尘的浓度降低到15g/Nm3的值，更优选低于10g/Nm3，甚至更优选低于5g/Nm3。
在根据本发明的方法的后续步骤b)中，对脱除了粉尘的燃烧烟气流15借助还原剂(例如氨)进行选择性催化还原处理(SCR)。SCR处理可以借助合适的选择性催化还原装置(图2中的SCR装置20)根据现有技术中已知的方法进行。还原剂可以进料到SCR装置内部的气流中。可替代地，可能存在于进行SCR处理的相同的燃烧烟气流中的氨可以用作还原剂。这种来自原料的热处理的氨进料到预热器中并且被燃烧烟气穿过电过滤器运输到SCR装置的催化剂上。如果来自原料的氨的量不足，可以将额外量的氨或其他还原剂进料到气流中。
在步骤b)的SCR处理期间，NOx转化为N2和蒸汽。基本脱除了粉尘和NOx的净化的燃烧烟气流17从步骤b)末端的还原器20中出来。
在优选的实施方案中，根据本发明的方法还包括进一步的步骤c)，其由离开SCR还原器20的净化的燃烧烟气流17进行一种或几种用于除去进一步的污染物和/或进行热回收的处理组成。
为此目的，本发明的设备目标预示用于净化污染物的合适的处理机构和/或热回收机构的存在。
净化的燃烧烟气流17有可能进行的第一净化处理为硫氧化物的减少过程(脱硫)，特别是用于减少SO2。优选，该方法预示将基于氧化钙-和/或氢氧化钙的化合物借助于合适的注射装置注入到净化的燃烧烟气流17中。前述脱硫过程(未在图2中显示)可以无差别地在净化的燃烧烟气流17进行了热回收步骤之前或之后进行。
为了回收离开SCR还原器20的燃烧烟气流的热量，烟气流17可以进料到熟料生产过程的其他步骤中，或者更通常地进料到水泥生产工艺的其他步骤中(例如，在原料的研磨和干燥中或者还作为回转窑和/或预煅烧炉中的燃烧空气)。
可选择地，净化的燃烧烟气17的余热可以使用合适的热回收机构回收。为此目的，根据本发明的设备例如可以包括空气/空气、空气/透热油、空气/水蒸气类型的热交换器或者水-操作增湿塔(图2中的增湿塔18)。
根据本发明的方法还可以应用于装备有预煅烧炉的熟料生产厂。在这种情况中，回转窑的燃烧烟气进料到预煅烧炉中并且与预煅烧炉的燃烧烟气一起从此处进料到悬浮预热器9。
根据本发明的方法和设备可以应用于现有的熟料生产厂和新的工厂。
根据本发明的方法和相关的设备相对于已知的现有技术的方法和设备具有多种优点。
首先，根据本发明的方法使得将低粉尘-SCR技术有效的应用于净化熟料生产工艺的燃烧烟气成为可能，避免了现有技术水平中突出的缺点。
实施离开预热器的燃烧烟气的高温粉尘除去的根据本发明的工厂和方法允许脱除了粉尘的气态流流出物进行后续的NOx以及任选的其他污染物的净化处理，具有一系列重要的优点。
进行了选择性催化的NOx还原处理的燃烧烟气中的低粉尘含量使得以下情况成为可能：
-获得高的NOx还原效率，同时改进了SCR还原器的操作可靠性和连续性；
-减少了由于催化剂的堵塞、中毒等引起的SCR体系的维护干预；
-减少了经过催化剂的燃烧烟气流的载荷损失的发生并且因此降低了与移动燃烧烟气流相关的能量消耗；
-显著降低了需要用于清洁催化剂的压缩空气的消耗；
-随着减少了粉尘的磨损作用而延长了催化剂的使用寿命；
-使用较小尺寸的催化剂，随之降低了SCR体系的体积和成本；
-在这些装置用于回收离开SCR处理的燃烧烟气的残余热能的情况下，显著减少污染热交换器的典型问题。
此外，在熟料生产工艺中使用可替代的燃料的情况下，电过滤器保证可能产生的灰分的减少(典型地含有磷酸盐)，该灰分会导致催化剂中毒。因此本发明的其他优点在于，使得SCR技术的使用能够与任何类型的可替代的燃料的使用相容。
以下实例性的实施方案仅提供用于说明本发明的目的，并不应当认为限制由所附的权利要求所限定的保护范围。
实施例1
测试根据本发明的包括4级旋风悬浮预热器、电过滤器和NOx还原体系的设备。
来自悬浮预热器且具有350℃的温度和大约70g/Nm3粉尘浓度的燃烧烟气流在相同的温度下操作的电过滤器中进行粉尘除去。电过滤器出口处的脱除了粉尘的燃烧烟气流具有大约5g/Nm3的粉尘浓度。
离开电过滤器的净化的燃烧烟气在SCR装置中进行选择性催化还原处理。选择性催化还原在大约320℃的温度下、在作为还原剂的NH3(100-150mg/Nm3，该值指的是无水烟气和10％体积的O2)的存在下进行。由于氨来自原料，因此其存在于燃烧烟气中。
离开电过滤器并且进料到SCR装置中的净化的燃烧烟气具有大约5g/Nm3的粉尘(生料)浓度和大约350℃的温度。在燃烧烟气中，还存在高浓度的SO2(100-200mg/Nm3，该值指的是无水烟气和10％体积的O2)。
在测试中评价了NOx还原效率、使用压缩空气清洁催化剂的电能消耗、由催化剂的堵塞导致的载荷损失，催化剂维持多长的时间以及回转窑的操作问题的发生。
前述设备测试中获得的结果(表1中显示为“本发明的设备”)与来自常规类型的熟料生产厂(表1中显示为“常规的设备”)的燃烧烟气的SCR处理相关的数据一起显示在下表1中。在常规的设备中进行了SCR处理的燃烧烟气来自5级的旋风悬浮预热器并且它们具有大约310℃的温度。在SCR体系中处理的烟气中的粉尘浓度超过70g/Nm3。在常规设备的燃烧烟气中还存在来自原料的低浓度的NH3和SO2。然后将其他的NH3添加到经处理的气流中以便在尽可能与根据本发明的设备的那些条件接近的条件下推动SCR过程。
表1
Figure BDA0000077362080000111
表1的结果说明了本发明的设备和方法目标是还如何使得就引入常规熟料生产厂中的类似的处理而言SCR处理体系的效率得以改进。
该结果还显示了本发明的设备如何表征出优异的操作规律性以及与清洁催化剂相关的低能量消耗。
最后，值得注意的是借助于电过滤器(直至克数量级的浓度)燃烧烟气的适度粉尘除去足以获得SCR装置效率的显著提高。

Claims (13)

1.用于净化来自熟料生产厂的燃烧烟气流的方法，其包括以下操作步骤：
a)在250至400℃之间的温度下从离开悬浮预热器的燃烧烟气流中除去粉尘，形成脱除了粉尘的燃烧烟气流；
b)对所述脱除了粉尘的燃烧烟气流用还原剂进行选择性催化的NOx还原处理，形成净化的燃烧烟气流。
2.根据权利要求1的方法，其中步骤a)在270-360℃范围内的温度下进行。
3.根据权利要求1或2的方法，其中步骤a)粉尘除去将脱除了粉尘的燃烧烟气流中粉尘的浓度降低到低于15g/Nm3的值，优选低于10g/Nm3，还更优选低于5g/Nm3。
4.根据权利要求1的方法，其进一步包括以下操作步骤：
c)将净化的燃烧烟气流提供给进一步的污染物除去处理和/或提供给热回收。
5.根据权利要求4的方法，其中步骤c)包括存在于净化的燃烧烟气流中的硫氧化物，特别是SO2的降低处理，优选借助向所述净化的燃烧烟气流中注入基于氧化钙和/或氢氧化钙的化合物。
6.根据权利要求4或5的方法，其中步骤c)包括借助至少一个热交换器和/或一个增湿塔回收净化的燃烧烟气流的热。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中步骤a)粉尘除去借助静电沉淀实现。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中选择性催化还原处理中的还原剂为氨。
9.用于实现来自熟料生产厂的燃烧烟气流的净化方法的设备，其包含：
i)用于在250至400℃之间的温度下从离开悬浮预热器的燃烧烟气流中除去粉尘形成脱除了粉尘的燃烧烟气流的机构；
ii)用于使用还原剂对脱除了粉尘的燃烧烟气流进行选择性催化的NOx还原处理形成净化的燃烧烟气流的机构，用于进行所述处理的所述机构与粉尘除去机构连接，其从所述粉尘除去机构接收脱除了粉尘的燃烧烟气流。
10.根据权利要求9的设备，其中粉尘除去机构包括静电沉淀器。
11.根据权利要求9或10的设备，其进一步包括用于从净化的燃烧烟气流中除去进一步的污染物的机构和/或用于回收它们的热的机构。
12.根据权利要求11的设备，其中用于从净化的燃烧烟气流中除去进一步的污染物的机构包括硫氧化物，特别是SO2的降低装置，优选用于向所述烟气中注入基于氧化钙-和/或氢氧化钙的化合物的装置。
13.根据权利要求10或11的设备，其中用于回收包含在净化的燃烧烟气流中的热的机构包括热交换器和/或增湿塔。
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