CN112179153A - 一种烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法 - Google Patents

一种烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于煅烧烟气处理领域，涉及一种烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法，通过集源头削减、过程控制与末端治理于一体的方式，对烧结镁砂煅烧过程产生的氮氧化物进行防控。具体步骤为：采用清洁燃料代替非清洁燃料，从源头上减少或避免燃料型氮氧化物的产生；在竖炉上布置主、次两级煅烧火口，实现燃料的分级燃烧；采用烟气再循环技术，降低燃烧过程中热力型氮氧化物的生成量，实现燃烧过程中氮氧化物削减；在竖炉预热段的适宜位置布置喷氨窗口，采用选择性非催化还原方式对炉内的煅烧烟气进行初步脱硝处理；在竖炉适宜位置布置煅烧火口，保证适宜的预热和煅烧带高度，使得出口烟气温度满足选择性催化还原脱硝温度，实现对氮氧化物的末端治理。

Description

一种烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法
技术领域
本发明属于煅烧烟气处理领域，具体涉及一种基于源头削减、过程控制与末端治理于一体的烧结镁砂煅烧烟气脱硝方法。
背景技术
菱镁矿资源是辽宁省的特色资源之一，其储量约占世界总储量的20％，占全国的85％。镁质耐火材料是菱镁矿的主导产品之一，其产量及出口量居世界第一。我国耐火镁质原料的主要产品形式是轻烧氧化镁、烧结镁砂、电熔镁砂，其产量分别约占镁质耐火原料年产量的50％、36％、14％。
镁质材料行业，尤其是烧结镁砂，大气污染等环境问题凸显：有组织排放中，氮氧化物、颗粒物等污染物难以达标排放，大气污染物问题已对当地大气环境及公众健康造成了永久性影响。目前，烧结镁砂氮氧化物防控存在的主要问题：
(1)烧结镁砂煅烧过程产生的烟气中氮氧化物体积分数高且产生量较大，导致氮氧化物处理负荷较大。烧结镁砂煅烧温度一般高于1600℃，其中高纯镁砂煅烧温度高达1800℃，导致煅烧烟气中的热力型NOx生成速度呈指数规律增长，一般可高达3500mg/m3；对于目前主流生产设备竖炉，每生产1t镁砂成品约产生3000t的烟气。以年产5万t烧结镁砂产能计算，每年可产生氮氧化物1.05亿t。
(2)烧结镁砂生产采用的主流工艺——竖炉煅烧法，普遍存在着炉顶排出的煅烧烟气温度较低的问题，若采用SCR脱硝，需将烟气再加热至400℃以上，或采用价格较高的低温催化剂，导致脱硝经济性较差；据计算，欲将生产1吨镁砂所产生的4000m3的低温煅烧烟气从230℃再加热至400℃，需要消耗55kg天然气(天然气的低位发热量取34000kJ/m3)，即加热每吨镁砂成品所产生的低温煅烧烟气需要额外投入约140元燃料费用；若使用低温催化剂进行SCR脱硝，催化剂价格约为1.3～1.5万元/m3(起活温度180℃)。
经分析，上述问题的成因是：
(1)氮氧化物的防控仅依赖末端治理，未从源头对氮氧化物进行控制，导致氮氧化物控制难度大，投入成本高；
(2)采用传统竖炉炉型，将导致炉顶排出的烟气温度过低，难以满足SCR脱硝的温度要求(适宜脱硝温度窗口为400～450℃)；
(3)目前生产中采用重油、白煤等非清洁燃料会引入氮元素，会产生燃料型氮氧化物，使得烟气中氮氧化物浓度进一步增加。
2019年11月12日公开的专利CN209612647U描述了一种菱镁矿竖窑烟气高效脱硝设备，其技术方案是对菱镁矿竖窑烟气高效脱硝设备进行SCR脱硝改造，并设置一级、二级SCR脱硝反应器，将烟气通过烟气换热器和燃烧炉再加热将温度提高至SCR反应的合适温度，然后与氨气混合进入SCR反应器进行脱硝处理，脱硝处理后的净烟气返回烟气换热器后给未脱硝的烟气加热及稀释提高反应效率。该方法能够实现利用两级脱硝反应器提高整个生产过程的脱硝效率，但其引出的烟气需通过燃烧炉加热至500℃后再与原烟气混合成温度在330℃左右的烟气以满足SCR脱硝，对烟气再加热的方法会引入额外脱硝燃耗及电耗等费用。
对于烧结镁砂生产现状，迫切需要技术先进、经济可行的脱硝工艺方法。
发明内容
发明目的：
针对于烧结镁砂过程产生的烟气中氮氧化物含量难以满足排放要求，传统脱硝方式效率低、成本高等问题，本发明提供一种集源头削减、过程控制与末端治理于一体的方法，对烧结镁砂煅烧过程产生的烟气中的氮氧化物进行防控。
技术方案：
一种烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法，其特征在于：该方法通过以下三个阶段进行对烧结镁砂煅烧过程产生的烟气中的氮氧化物进行防控；
阶段一：源头削减阶段；
采用清洁燃料代替非清洁燃料，降低或避免燃料型氮氧化物的产生，从源头实现氮氧化物的削减；
阶段二：过程控制阶段；
在竖炉适宜位置布置主、次两级煅烧火口，保证适宜的预热和煅烧段高度的同时实现燃料的分级燃烧，同时联合烟气再循环技术，实现燃烧过程中对氮氧化物进行控制；在竖炉预热段适宜位置布置喷氨窗口，采用选择性非催化还原方式对炉内煅烧烟气中氮氧化物进行初步处理；
阶段三：末端治理阶段；
与阶段二同时进行：通过在竖炉适宜位置布置主、次两级煅烧火口，使竖炉出口烟气温度满足选择性催化还原适宜脱硝温度，进而实现经济可行的氮氧化物末端治理。
主煅烧火口中心线以上料层高度与主火口中心线以下料层高度的比值保持在0.49～0.58内，且将次煅烧火口布置在主煅烧火口中心线的上方；控制竖炉煅烧段和冷却段的气固水当量比为0.8。
喷氨窗口中心线以上料层高度与中心线以下料层高度比值保持在0.17～0.35内，在该位置温度可保持在840～950℃。
本发明的有益效果：
在竖炉生产过程中单独采用一种手段进行烟气控制的方法仅能对煅烧烟气中NOx进行部分脱除，难以满足排放要求。所以相比于对煅烧烟气进行单一的NOx控制，采取源头削减、过程控制与末端治理三管齐下的方式可以更加高效地控制煅烧烟气中NOx的产生以及排放，具体益处如下：
(1)相比于采用传统非清洁燃料作加热热源，采用天然气作燃料可以有效减少烟气中燃料型NOx的含量，达到源头削减的目的；
(2)通过在竖炉上适宜位置布置主煅烧火口和次煅烧火口，保证适宜的预热和煅烧段高度，使竖炉出口煅烧烟气温度满足炉末SCR适宜脱硝温度窗口(400℃)，免去传统竖炉SCR脱硝对低温烟气再加热的方法，提高SCR脱硝方法在低温烧结镁砂煅烧烟气上应用的经济性；
(3)采用SNCR炉内脱硝的方式可初步脱除煅烧烟气中30％～40％的氮氧化物，从而降低末端SCR脱硝负荷，与传统SCR脱硝相比较，可降低30～40％催化剂使用量。相比于采用单一的SCR脱硝方法，SNCR+SCR脱硝可在获得较高脱硝效率的同时降低投资及运行成本。
附图说明
图1为本发明所述的方法流程示意图；
图2为烧结镁砂竖炉结构图。
图中标注：1竖炉、2主煅烧火口、3次煅烧火口、4喷氨温度窗口、5冷却风入口、6烟气出口、7料层高度。
具体实施方式：
本发明提出一种基于源头削减、过程控制与末端治理于一体的烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法：
(1)采用天然气等清洁燃料代替非清洁燃料，从源头上减小或避免燃料型氮氧化物的产生；
(2)在竖炉上适宜位置布置两级火口，即主煅烧火口和次煅烧火口，用于实现燃料的分级燃烧。使主煅烧火口中心线以上料层高度与火口中心线以下料层高度的比值保持在0.49～0.58内，且将次煅烧火口布置在主煅烧火口中心线的上方，控制竖炉煅烧段和冷却段的气固水当量比为0.8。
将天然气分批次分别送到主煅烧火口和次煅烧火口，先将所耗用天然气的70～80％(以质量流量计)通入主煅烧火口对应的烧嘴，此时燃烧过程的过量空气系数大于1；剩余的20～30％的天然气通过次煅烧火口烧嘴，且不再供入助燃空气，由于过量空气系数小于1，产生一定量的还原性气体与主煅烧火口产生的烟气混合，将烟气中的NOx部分还原成N2；采用烟气再循环技术，将20～30％的烟气通过烟气再循环通道引入主煅烧火口燃烧室中以降低燃烧温度，从而降低燃烧过程中热力型氮氧化物的产生；
(3)通过在适宜位置布置竖炉主、次两级煅烧火口，以及采用合理的操作参数，使得出口烟气温度高于400℃，为后续的SCR脱硝提供适宜的温度条件；
(4)在竖炉预热段适宜位置(840～950℃)布置喷氨温度窗口，采用SNCR方式对炉内煅烧烟气进行初步处理。喷氨温度窗口中心线以上料层高度与中心线以下料层高度比值保持在0.17～0.35内。
耦合燃料条件、燃烧方式、竖炉内流动传热等热工行为，通过调整竖炉结构和操作参数，实施重烧竖炉的燃料型氮氧化物的源头规避、低氮燃烧及适宜SNCR和SCR脱硝窗口布置等方法一体化，实现氮氧化物的源头削减、过程控制、末端治理。
主要包括以下步骤：
(1)在竖炉适宜位置布置两级火口，即主煅烧火口和次煅烧火口，且次煅烧火口布置于主煅烧火口中心线上方，将天然气分批次送到主煅烧火口和次煅烧火口，将耗用的70～80％的天然气和助燃空气分别通入燃烧室燃烧后，通过主煅烧火口将热量传递到炉中；次煅烧火口用于通入剩余20～30％的天然气且不供入助燃空气；(2)生料自上而下运动，在煅烧火口上下两侧形成的高温煅烧段进行煅烧，煅烧温度为1600℃；(3)冷却风自下而上流动，在冷却段对物料冷却后继续上行，混合高温煅烧段的热量在预热段对生料进行预热后经烟气出口排出；(4)在竖炉预热段适宜位置(温度为840～950℃处)布置喷氨窗口，采用SNCR方式对煅烧烟气中氮氧化物进行炉内初步处理；(5)部分出口烟气通过风机引入烟气再循环通道返回到燃烧室内；(6)剩余出口烟气通过风机引入蒸发混合器提供热量蒸发氨水，之后混合蒸发后的氨水，通过管道送入SCR脱硝反应器内进行二次脱硝；(7)脱硝后的烟气经风机引入脱硝塔后排放至大气。
下面结合附图具体说明本发明，参见图1。
采用天然气等清洁燃料代替传统非清洁燃料，天然气中几乎不含氮元素，可实现从源头上减少或避免氮氧化物的生成。
在竖炉适宜位置布置两级火口，即主煅烧火口和次煅烧火口，实现燃料分级燃烧。使主煅烧火口中心线以上料层高度与火口中心线以下料层高度的比值保持在0.49～0.58内，且将次煅烧火口布置在主煅烧火口中心线上方，控制竖炉煅烧段和冷却段的气固水当量比在0.8。
先将所耗用的70～80％的天然气(以质量流量计)与助燃空气分别由燃烧室一侧的天然气入口和空气入口输入，经过预混后由内置点火装置点燃，此时燃烧过程的过量空气系数大于1，火焰由燃烧室另一侧经过主煅烧火口喷入竖炉内，主煅烧火口的烟气温度为1600℃，是整个生产过程的主要热量来源。剩余的20～30％的天然气通过次煅烧火口通入炉内，且不再供入助燃空气，由于过量空气系数小于1，产生一定量的还原性气体与主煅烧火口产生的烟气混合，将烟气中的NOx部分还原成N2。
通过分析实验测得数据可知，当主煅烧火口中心线以上料层高度与火口中心线以下料层高度的比值保持在0.49～0.58内，且煅烧段和冷却段的气固水当量比在0.8时，出口烟气温度可保持在400～420℃，满足末端SCR脱硝温度(400～450℃)，使烟气顺利进行二次脱硝，进而使得出口矿温低于200℃，可降低余热耗散。若高度以及水当量比超出该范围，则会造成出口烟气温度较低(低于350℃)，从而不满足SCR脱硝温度，无法顺利进行二次脱硝；以及出口矿温较高(高于240℃)，余热耗散严重的情况。
通过分析实验所测得炉内温度分布情况，在竖炉预热段适宜位置布置喷氨温度窗口，即喷氨温度窗口中心线以上料层高度与中心线以下料层高度比值保持在0.17～0.35内，在该位置温度可保持在840～950℃，满足SNCR适宜脱硝温度，通过喷枪向炉内喷入氨水(20％)，采用炉内SNCR脱硝的方式对煅烧烟气中氮氧化物进行初步脱除，脱硝率可达30％～40％。
冷却风通过冷却风入口通入炉内，在竖炉下部对熟料冷却后上行，经过煅烧段时与该部位的热量混合后上行预热生料，之后由竖炉顶部烟气出口排出。排出的烟气温度大于400℃，且分为两部分，其中20～30％的烟气由循环烟气引风机引入烟气再循环通道后通入燃烧室，以降低燃烧室燃烧温度，从而降低燃烧过程中热力型氮氧化物生成量。此外，在烟气再循环通道装有烟道保温装置以避免烟气在循环过程中的热量损失。
其余70～80％的烟气由风机引入蒸发混合器，提供氨水蒸发所需热量，之后混合蒸发后的气体通过管道输送至SCR脱硝反应器喷氨栅格，在常用的钒基催化剂的作用下将烟气中的氮氧化物还原成氮气，脱硝后的气体通过排烟风机引入到烟囱中排放至大气中，氮氧化物的含量低于200mg/m3，满足排放标准。

Claims (4)

1.一种烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法，其特征在于：该方法通过以下三个阶段对烧结镁砂煅烧过程产生的烟气中的氮氧化物进行防控；
阶段一：源头削减阶段；
采用清洁燃料代替非清洁燃料，降低或避免燃料型氮氧化物的产生，从源头上实现氮氧化物的削减；
阶段二：过程控制阶段；
在煅烧竖炉的适宜位置布置主、次两级煅烧火口，保证炉内具有适宜的预热和煅烧段高度的同时，实现燃料的分级燃烧，同时，联合烟气再循环技术，实现燃烧过程中对氮氧化物进行控制；在竖炉预热段的适宜位置布置喷氨窗口，采用选择性非催化还原方式对炉内煅烧烟气中氮氧化物进行初步处理；
阶段三：末端治理阶段；
与阶段二同时进行：通过在竖炉适宜位置布置主、次两级煅烧火口，使竖炉的出口烟气温度满足选择性催化还原的适宜脱硝温度，进而实现经济可行的氮氧化物末端治理。
2.根据权利要求1所述的烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法，其特征在于：主煅烧火口中心线以上料层高度与主火口中心线以下料层高度的比值保持在0.49～0.58内，且将次煅烧火口布置在主煅烧火口中心线的上方；同时，控制竖炉煅烧段和冷却段的气固水当量比为0.8。
3.根据权利要求1所述的烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法，其特征在于：设置喷氨窗口，喷氨窗口中心线以上料层高度与中心线以下料层高度比值保持在0.17～0.35范围内，该部分烟气温度可达840～950℃。
4.根据权利要求1所述的烧结镁砂煅烧烟气脱硝的方法，其特征在于：在阶段一中，采用清洁燃料为天然气；在阶段二中，将天然气分批次分别送到主煅烧火口和次煅烧火口，先将所耗用天然气按以质量流量计的70～80％通入主煅烧火口对应的烧嘴，且供入助燃空气，此时燃烧过程的过量空气系数大于1；剩余的20～30％的天然气通过次煅烧火口烧嘴，且不再供入助燃空气，由于过量空气系数小于1，产生一定量的还原性气体与主煅烧火口产生的烟气混合，将烟气中的NOx部分还原成N2；采用烟气再循环技术，将20～30％的烟气通过烟气再循环通道引入主煅烧火口燃烧室中以降低燃烧温度，从而降低燃烧过程中热力型氮氧化物的产生。
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