CN1124998C - 减少窑装置NOx排放量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减少原料热处理窑装置的NO_x排放量的方法，燃料可在该窑装置的至少三个不同区域进行燃烧。在这至少三个区域的一个区域内燃烧的燃料量为c，在第二区域内燃烧的燃料量为b并自其它至少两个区域向第二区域加入含NO的废气。在这至少三个区域的其它区域内燃烧的燃料量为a并向这些区域与含氧气体一起加入至少部分原料。在第二和最后区域内燃烧的燃料总量b+a由原料处理的需要确定。窑装置用以制造水泥熔渣时热处理过程包括原料的预热、焙烧、烧结及其冷却。本发明意在提供减少窑装置的NO_x排放量并同时使得能够在各区域内于较低的温度下利用低反应性燃料如石油焦炭、无烟煤及其它低气含量煤的方法。根据本发明，本目的是这样实现的：在向上方向和向下方向对燃料量b和a加以调节直至来自所有其它燃烧区的含NO废气所加入的燃烧区中的废气中的NO含量达到最低。

Description

减少窑装置NOx排放量的方法

本发明涉及减少采用低挥发分燃料进行原料热处理的窑装置的NO_x排放量的方法，燃料可在该窑装置的至少三个不同区域进行燃烧。在这至少三个区域的一个区域内燃烧的燃料量为c，在第二区域中燃烧的燃料量为b而且还从其它至少两个区域向第二区域加入含NO的废气。在这至少三个区域的其它区域内燃烧的燃料量为a并向这些区域与含氧气体一起加入至少部分原料。在第二和最后区域内燃烧的燃料总量b+a由原料处理的需要确定。在向上方向和向下方向对第二(2)和最后区域内燃烧的燃料量b+a进行调节直至来自第二区域的废气中的NO含量达到最低。

氮氧化物NO_x形成于燃烧过程中，由于燃料中的氮的氧化和燃烧空气中的氮的氧化。燃烧区中温度低于1200℃时，NO_x仅由燃料中的氮生成。这类氮氧化物被称为燃料NO_x。若温度水平上升超过1200℃，燃烧空气中的氮也将生成氮氧化物。这类氮氧化物被称为热NO_x。以燃料NO_x和热NO_x形式生成的氮氧化物的大约95％由一氧化氮即NO组成。

在含氮燃料进行燃烧的体系中可发生如下类型的反应：

(1)

(2)

反应(1)表明燃烧区中NO的生成依赖于燃料中的氮含量和该区中气体的氧含量。反应(2)表明，若在加入该燃烧区的气体中已含有NO，进料气体中的NO含量将被从燃料中释放的氮化合物所还原。因此NO的净生成量也将依赖于进料气体中的NO含量并且由于反应(2)的反应速率比反应(1)的反应速率随温度升高得更快，温度升高将导致从焙烧区释放出的NO_x的净减少。众所周知，对于焙烧炉中的高温燃烧，若温度升高约100℃，来自焙烧炉的NO_x可能降低10-15％。这一优点的上限为1200℃，在该温度下由燃烧空气生成的热NO_x将超过反应(2)所减少的NO。

当窑装置用于制造水泥熔渣时，热处理包括矿物原料的预热、焙烧、烧结及冷却。

含氮燃料在其中燃烧的三个区域设在窑中的烧结区，位于焙烧区的两个位置处，在焙烧炉中和在至少一个燃烧室内。根据本发明的描述，“燃烧室”表示燃料进行燃烧并同时向其中加入待处理物料的区域。“焙烧炉”为位于窑气道、来自窑的废气流经其间的燃烧室。

制造水泥熔渣的窑装置中的温度仅在烧结炉中超过1200℃。窑中所需的温度和停留时间依赖于原料特性。燃烧性能不佳的原料需要高温和/或长停留时间。具有高达2000℃的高火焰温度条件将显著提高NO_x的排放速度。

测量表明，所用燃料中的挥发物含量和焙烧温度是影响焙烧区中NO_x生成的因素。燃料中挥发物含量越高，表现出由N_fuel转化为NO_x的量越少。

公认的事实是，建造设有仅仅加入来自冷却器的第三气体的附加燃烧室的焙烧区可达到多方面优势。若原料被加入到燃烧室中应考虑将这一燃烧室设在焙烧区。

欧洲专利第103423号(F.L.Smidth & Co.A/S，相应于DK-C-151319)描述了这一类型的装置。在此所知它是水泥原料焙烧装置(SLC-S)，其中考虑到焙烧炉中所用燃料难以实现完全燃烧的情形。该装置中，生料在流经一旋风预热器(18、18′、19、20、21)后进入燃烧室(4)在其中的来自冷却器(2)的热空气中焙烧。经预热后生料在两个位置处进入焙烧区：在燃烧室(4)中和在窑的气道(28)或停留室(29)中。如权利要求4所述，可经燃烧器(45)将燃料加入窑气道(28)，但根据13-27行6栏，加入这一辅助燃料以确保窑气道中的生料量可以增加。

由美国专利第4,014,641号(Mitsubishi)可知在一水泥原料焙烧装置中，通过在窑气道中形成还原气加入的区域而使窑的废气中的氧化氮量降低。(经管道(5))来自冷却器的热空气和(经管道(13))来自窑的热空气沿给定路线进入旋风预热器(14、15、16、17)。在旋风预热器中原料与来自冷却器的热气体和来自窑的热气体逆流流动而被预热。在位于冷却器进料管道(5)下方的窑气道区内通过经管道(12)引入还原气体而形成还原条件。由于加入焙烧炉的空气体积足以使焙烧炉中的燃料气化但又不足以使焙烧炉中的燃料完全燃烧从而在焙烧炉(8)中形成还原气(1-5行4栏)。该装置特别不利的是不能采用难以点燃且燃烧缓慢的燃料如石油焦炭、无烟煤及其它低气含量煤，这是由于它们会产生大量未燃烧的会在旋转窑内沉积的焦炭残余物，其结果将导致脱硫及粘结问题。

由美国专利第5,364,265号(CLE)可知另一种焙烧系统，其中NO_x排放量由在燃烧室(20)中生成还原气即CO和H₂而受到限制。该工艺过程中在燃烧室内生成的焦炭具有极为特殊的反应性能。但由于操作中仅能调节很少几个参数，就确保NO_x排放量最少而论优化该方法相当困难。燃烧室中燃烧的燃料量完全依赖于所期望的生料焙烧程度。

本发明意在提供减少窑装置的NO_x排放量并同时使得能够在区域内于较低的温度下利用低反应性燃料如石油焦炭、无烟煤及其它低气含量煤的方法。制造水泥熔渣时在原料进入窑之前在焙烧单元中形成温度较低的区。

根据本发明，本目的是这样实现的：在向上方向和向下方向对分别用于在含NO废气加入的区中燃烧的燃料量b和用于在原料及含氧气体加入的区中燃烧的燃料量a进行调节直至来自所有其它燃烧区的含NO废气所加入的区中的废气中的NO含量达到最低。燃料b和a在其中进行燃烧的区中的温度在900-1200℃之间。

由于燃料在位于第三空气管道中的燃烧室内以及在位于窑气道中作为燃烧室的焙烧炉内进行燃烧，本方法实际上是ILC装置(在线焙烧炉)和SLC-S装置(分离线焙烧炉-单预热器序列)的组合。因此假定该组合装置的NO_x排放量为生产能力相当的ILC-装置的NO_x排放量和SLC-S-装置的NO_x排放量之间的平均值是合理的。但极为惊奇的是已证实，根据权利要求1的方法进行操作的装置的NO_x排放量比两类传统装置ILC和SLC-S中任何一类装置所能达到的排放量都低。

此外，将任何现有的ILC装置改造成根据权利要求1的方法进行操作的装置也并不很复杂，这表明有可能采用在焙烧区中难以燃烧的燃料。

如欧洲专利第103423号所述的现有SLC-S装置已有可能在窑气体管道中将燃烧燃烧形成减少区。因此，本发明可在这些装置中实施而不必对装置进行任何结构上的大的变动。

即使在窑气体管道中燃烧约为焙烧区所用燃料总量的10％的中等的燃料量b，也有可能实现将来自焙烧区的NO_x排放量显著降低，但通常在焙烧炉中燃烧的燃料量b为燃料总量的25％到75％之间时焙烧区的NO_x排放量达到最少。

由于反应(2)相对于反应(1)其反应速率提高，为使水泥熔渣制造过程的NO_x排放量最少，在燃烧室中和焙烧炉中的制造过程在较高的温度下进行才有利。此外燃烧缓慢的燃料如石油焦炭和无烟煤的完全燃烧在较高温度下得以提高。本方法用于制造水泥时的操作温度上限为约1200℃。当温度约为1200℃时，在生料中开始形成液相导致生料变粘。

调节焙烧炉和燃烧室中的温度的一个有利方法是以受控方式将生料加入焙烧区。因此已证实将加入焙烧区的生料分割为三股子物流特别有利。然后除了加入燃烧室的生料外，这三股子物流分别在焙烧炉之前、之后/焙烧炉中加入。与物料分割相应，就在来自窑的废气、来自燃烧室的废气和部分焙烧后的原料及焙烧炉燃料进行混合之后但在加入剩余原料之前的那部分焙烧区的温度设定在1000-1150℃。该温度区提供NO_x分解的有利条件，即使在采用难以燃烧的燃料如石油焦炭和无烟煤时亦如此。

具体地说，本发明的一个实施方案是一种减少原料热处理窑装置的NO_x排放量的方法，含氮燃料可在该窑装置的至少三个不同区域进行燃烧；在这至少三个区域的一个区域(1)内燃烧的燃料量为c并向该区域加入含氧气体；在这至少三个区域的第二区域(2)内燃烧的燃料量为b并自其它至少两个区域(1，3)向第二区域(2)加入含NO的废气，离开第二区域的废气排出窑装置；在这至少三个区域的最后一个区域(3)内燃烧的燃料量为a并向区域(3)加入至少部分原料及含氧气体；在第二和最后区域(2，3)内燃烧的燃料总量b+a由处理原料的需要确定；并在向上方向和向下方向对在第二(2)和最后区域中燃烧的燃料量b和a进行调节直至来自第二区(2)的废气中的NO含量达到最低；本方法的特征在于，在这至少三个区域的第二和最后区域中的温度在工艺过程允许范围内尽可能高但低于1200℃；来自预热器(12)的原料物流被分割为三股物流(14、15、16)并将其中的一股物流(15)加入到来自窑(1)、经管道(6)去往焙烧炉的废气中，将另一物流(14)加入到流经位于管道(7)下游的焙烧炉(2)的物流中，所述管道(7)提供来自燃烧室(3)的经部分焙烧的物料。

在本发明的一个优选实施方案中，第一区域为窑(1)，第二区域为焙烧炉(2)，第三区域为至少一个燃烧室(3)。

在本发明的一个实施方案中，焙烧炉(2)内的温度优选在900-1150℃范围内、更优选在950-1150℃范围内、最优选在1000-1150℃范围内。

在本发明的一个实施方案中，燃烧室(3)内的温度在900-1200℃范围内、更优选在1000-1200℃范围内、最优选在1050-1200℃范围内。

现参考附图更为详细地描述本发明，其中

图1表示能够实施根据权利书要求的方法的装置的实施例。

图2表示一些ILC装置的NO_x排放量与加入焙烧炉的NO_x量的函数关系。

图3表示焙烧炉的NO_x排放量与加入焙烧炉的、相对于加入焙烧区的燃料总量的燃料量的函数关系。

图1为制造水泥熔渣的窑装置。它包括窑1、焙烧炉2和燃烧室3。在窑1之后有一熔渣冷却器4，热空气经管道5自冷却器4进入焙烧区。热空气在管道5a和5b之间分为两股，分别进入焙烧炉2和燃烧室3。经管道6来自窑1的热废气和经管道7来自燃烧室3、与部分焙烧物料混合的热废气进入焙烧炉2。

焙烧后的物料经管道8以悬浮态自焙烧炉2进入旋风分离器9。气/物料悬浮物在旋风分离器9中分离形成焙烧后的物料流和热气流。焙烧后的物料经管道10去往旋转窑1，热气流经管道11去往具有数个旋风分离器的悬浮物预热器。图1中仅示出预热器中最下端的旋风分离器12。

预热后的原料经一个三分装置13自旋风分离器12向下沿三个管道14、15和16进入焙烧区。管道14将原料在焙烧炉后的部位加入或直接加入焙烧炉2，管道15将原料加入来自窑1的废气中以使生料进入焙烧炉2，管道16将原料加入燃烧室3。管道16可以将原料直接加入燃烧室3或送往第三空气管道5，管道5在图1中示出。

总原料物流以受控方式在三个管道14、15和16之间连续分配并且在特殊条件下可以例如选择将流经管道14、15和16中的一个或多个管道中的物流切断。

本装置中，燃料可在焙烧炉2中借助于燃烧器17(b kcal/kg熔渣)、燃烧室3中借助于燃烧器18(a kcal/kg熔渣)和窑1中借助于燃烧器19(ckcal/kg熔渣)进行燃烧。

图2表示在多个ILC焙烧炉中生成NO的记录数据与自窑加入焙烧炉的NO量的函数关系。由于数据与采用不同燃料进行燃烧的众多不同装置的测量结果有关，所述不同燃料表现出在热值和氮含量上的变化，因此选择无因次形式来表示，其中 $x=\frac{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{IN}}}{N_{\mathrm{fuel}}}$ $y=\frac{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{OUT}}-{\mathrm{NO}}_{\mathrm{IN}}}{N_{\mathrm{fuel}}}$

＝N_fuel转化为NO的转化率。

-NO_IN、NO_OUT及N_fuel均以kmol/h或kg N当量/kg熔渣形式进行计算。

对实验数据采用曲线拟合得到如下关系式：

y＝15·exp(-x)-1

若有可能选择x的大小，应选择x使y＜O，意味着从焙烧炉排出的NO_x量小于加入焙烧炉的NO_x量。若燃烧过程可以如权利要求1所述在窑装置的三个位置处进行，将有可能选择这一x值。

当对燃料可在其中的焙烧炉及燃烧室中进行燃烧的装置采用以上的y方程形式进行实例计算时，可得图3的曲线。

本例中窑装置中燃烧的燃料总量为750kcal/kg熔渣，其中在旋转窑中燃烧的燃料量为c＝300kcal/kg熔渣。若在旋转窑中采用石油焦炭作燃料，由于事实上石油焦炭的火焰温度不特别高，N_fuel转化为NO的转化率较低。因此所产生的热NO_x将极少并且同时窑中温度约为1400℃，该温度足够高使反应(2)成为主反应。因此将窑的转化率设定为采用石油焦炭进行燃烧的旋转窑的典型转化率y_kiln＝0.3。

燃烧过程在焙烧区进行，a+b＝450kcal/kg熔渣，其中在焙烧炉中分配的燃料为b kcal/kg熔渣，在燃烧室中分配的燃料为450-b kcal/kg熔渣。若燃烧室中的温度维持在约1100℃，采用石油焦炭进行燃烧时燃烧室中的转化率通常大约为y_burn＝0.5。

以下方程适用于焙烧炉： $y_{\mathrm{kalc}}=\frac{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{OUT},\mathrm{calc}}-{\mathrm{NO}}_{\mathrm{IN},\mathrm{calc}}}{N_{\mathrm{fuelc},\mathrm{alcc}}}\⇒$ $N_{\mathrm{fuel},\mathrm{calc}}\·y_{\mathrm{calc}}={\mathrm{NO}}_{\mathrm{OUT},\mathrm{calc}}-{\mathrm{NO}}_{\mathrm{IN},\mathrm{calc}}\⇒$ ${\mathrm{NO}}_{\mathrm{OUT},\mathrm{calc}}=N_{\mathrm{fuel},\mathrm{calc}}\·y_{\mathrm{calc}}+{\mathrm{NO}}_{\mathrm{IN},\mathrm{calc}}\⇒$ ${\mathrm{NO}}_{\mathrm{OUT},\mathrm{calc}}=N_{\mathrm{fuel},\mathrm{calc}}\·y_{\mathrm{calc}}+({\mathrm{NO}}_{\mathrm{ki}\ln }+{\mathrm{NO}}_{\mathrm{burn}})$ $=N_{\mathrm{fuel},\mathrm{calc}}\·y_{\mathrm{calc}}+(N_{\mathrm{fuel},\mathrm{ki}\ln }\·y_{\mathrm{ki}\ln }+N_{\mathrm{fuel},\mathrm{burn}}\·y_{\mathrm{burn}})$ 排放量NO_out，calc在图3中表示为b/a+b的函数： ${\mathrm{NO}}_{\mathrm{OUT},\mathrm{calc}}=b\·y_{\mathrm{calc}}+N_{\mathrm{fuel},\mathrm{ki}\ln }\·y_{\mathrm{ki}\ln }+N_{\mathrm{fuel},\mathrm{burn}}\·y_{\mathrm{burn}}$ $=b\·(1.5\·\exp (-\frac{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{IN},\mathrm{calc}}}{N_{\mathrm{fuel},\mathrm{calc}}})-1)+N_{\mathrm{fuel},\mathrm{ki}\ln }\·y_{\mathrm{ki}\ln }+N_{\mathrm{fuel},\mathrm{burn}}\·y_{\mathrm{burn}}$ $=b\·(1.5\·\exp (-\frac{300\·\mathrm{0,3}+(450-b)\·\mathrm{0,5}}{b})-1)+300\·0.3+(450-b)\·0.5$

若b/a+b＝0，本装置用作SLC-S装置，此时NO_x为绝对最高水平。若b/a+b＝1，则a＝0，本装置用作ILC装置。

图3清楚地表明，在b/a+b≈0.5时NO_x排放量有一最小极限。

最小极限基本上依赖于窑中所生成的NO_x量。自窑向焙烧炉输入的NO_x越多，在燃烧室中燃烧的燃料量a应该越少。

Claims (8)

1.减少原料热处理窑装置的NO_x排放量的方法，含氮燃料可在该窑装置的至少三个不同区域进行燃烧；

在这至少三个区域的一个区域(1)内燃烧的燃料量为c并向该区域加入含氧气体；

在这至少三个区域的第二区域(2)内燃烧的燃料量为b并自其它至少两个区域(1，3)向第二区域(2)加入含NO的废气，离开第二区域的废气排出窑装置；

在这至少三个区域的最后一个区域(3)内燃烧的燃料量为a并向区域(3)加入至少部分原料及含氧气体；在第二和最后区域(2，3)内燃烧的燃料总量b+a由处理原料的需要确定；

并在向上方向和向下方向对在第二(2)和最后区域中燃烧的燃料量b和a进行调节直至来自第二区(2)的废气中的NO含量达到最低；

本方法的特征在于，在这至少三个区域的第二和最后区域中的温度在工艺过程允许范围内尽可能高但低于1200℃；

来自预热器(12)的原料物流被分割为三股物流(14、15、16)并将其中的一股物流(15)加入到来自窑(1)、经管道(6)去往焙烧炉的废气中，将另一物流(14)加入到流经位于管道(7)下游的焙烧炉(2)的物流中，所述管道(7)提供来自燃烧室(3)的经部分焙烧的物料。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于第一区域为窑(1)，第二区域为焙烧炉(2)，第三区域为至少一个燃烧室(3)。

3.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于焙烧炉(2)内的温度在900-1150℃范围内。

4.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于燃烧室(3)内的温度在900-1200℃范围内。

5.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于燃烧室(3)内的温度在1000-1200℃范围内。

6.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于焙烧炉(2)内的温度在950-1150℃范围内。

7.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于燃烧室(3)内的温度在1050-1200℃范围内。

8.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于焙烧炉(2)内的温度在1000-1150℃范围内。

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