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技术 | 水泥工业NOx来源及降低方法
发布时间:2019-10-09
 


一、水泥工业NOx的来源


在水泥熟料的煅烧过程中,会产生大量的氮氧化物,这些氮氧化物主要是NO和NO2,其中NO约占90%以上,而NO2只有5%~10%。按其来源划分主要取决于原、燃料中氮的含量、燃烧温度的高低和燃料类型。


1、原、燃料NOx


水泥生产使用的原燃料均来自于自然界,其中不可避免的会含有一定量有机物和低分子含氮化合物,由该部分氮元素直接转化的NOx称为原、燃NOx。原料中的氮主要来源于矿石沉积的含氮化合物,其含氮量一般在20~100ppm(百万分之20~100)。燃料中的氮主要为有机氮,属于胺族(N-H和N-C链)或氰化物族(C=N链)等,其含量一般在0.5%~2.5%。


2、热力型NOx


热力型NOx由空气中的氮气和氧气在高温下发生化学反应而来,其生成速度与温度的关系是由捷里道维奇提出来的,因此称为捷里道维奇机理。当燃烧温度低于1500℃时,几乎观测不到NOx的生成,当温度高于1500℃时,温度每升高100℃,反应速率将增大6~7倍。因此,热力型NOx主要在燃烧的高温区产生,燃烧温度对其产生量具有决定性的影响。此外,热力型NOx的产生浓度还与N2、O2浓度及停留时间有关。



3、快速型NOx


在欠氧环境下,燃料中的碳氢化合物燃烧分解生成CH、CH2以及C2等基团,它们与氮分子,以及O、OH等原子基团反应而在很短的时间内大量产生NOx,称为快速型NOx。快速型NOx对温度的依赖性很弱,它的生成量一般总NOx生成量的5%以下。


由于对水泥窑烧成系统的研究还处在较为粗放的状态,当前国内水泥行业对窑内工况和氮氧化物的生成机理,仍然存在很多的不足。甚至关于关于热力型氮氧化物产生量与原、燃料氮氧化物产生量熟多熟少,也存在争论。但是总体来讲,氮氧化物的来源是多方面的,影响因素众多,氮氧化物来源比例除了烧成系统本身的结构以外,也与工况环境,原燃料差异甚至操作人员水平息息相关。也正因为如此,氮氧化物源头治理显得相当困难,目前业内脱硝也主要集中在末端治理。


二、降低NOx排放的方法


水泥行业目前仍施行GB4915-2013大气污染物排放标准,颗粒物、SO2、NOx三项污染物排放指标分别为30mg/m³、200mg/m³和400mg/m³,重点区域执行20mg/m³、100mg/m³和320mg/m³标准。


今年以来,多省市连续出台水泥工业大气污染物特别排放值实施计划,要求1-2年内水泥行业全部完成超低排放改造,颗粒物、SO2、NOx排放浓度要分别不高于10mg/m³、50mg/m³、100mg/m³。


一方面,在当前的环保形势下,水泥企业降低污染物排放是外在环境的必然要求;另一方面,随着水泥工业技术的迭代,更低的能耗和排放标准也是行业转型升级的必然趋势。




根据目前大部分水泥企业的窑况,通过全过程低氮燃烧技术——SNCR+分级燃烧+低氮燃烧技术以达到NOx排放低于100mg/m³是目前主流改造技术。SNCR技术是利用分解炉内合适的温度空间(900℃~1100℃),向其内喷入氨水混合物,在此温度下,氨(NH3)与烟气中NOx反应生成N2和H2O。SNCR不用催化剂,但这有两个技术难点:一是如何保证喷嘴始终处于温度窗口内,二是如何保证所有NOx与NH3有一定时间的充分接触。


低NOx燃烧措施主要针对窑头燃烧器,有低氮燃烧、低氧燃烧、浓淡偏差燃烧、烟气再循环燃烧、替代燃料燃烧等措施。根据现有燃烧器的好坏和所采用的低氮燃烧技术的力度不同,该项措施一般能降低NOx排放量5%~30%。分级燃烧通过将窑外分解炉分为主还原区、弱还原区、完全燃烧区控制还原气氛,根据分级燃烧措施的合理程度,该项措施一般能降低NOx排放量30%~50%。在低氮燃烧和分级燃烧的基础上,结合SNC,在稳定的窑况下,也可实现超低排放。



来源:《新泽分析技术》