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水泥熟料生产线NOx减排技术介绍安徽海螺建材设计研究院2012.10主要内容三、低氮燃烧技术四、烟气脱硝技术五、小结一、引言二、NOx的生成机理及排放现状一、引言2010年水泥行业准入条件（工原[2010]第127号）中要求：新建或改扩建水泥(熟料)生产线项目须配置脱除NOx效率不低于60%的烟气脱硝装置；在水泥工业节能减排的指导意见（工信部节[2010]582号）中提出：现有日产2000吨以上工厂，建设低NOx设施，推广低NOx技术，并达到NOx排放浓度降低25%的实施效果；2011年国家《“十二五”节能减排综合性工作方案》中要求，2015年全国氮氧化物排放总量控制在2046.2万吨，比2010年下降10%，新型干法水泥窑实施低氮燃烧技术改造，配套建设脱硝设施；《水泥工业大气污染物排放标准》GB4915-2004正在修订,现有生产线（2016年1月1日起）和新建生产线（2013年1月1日起）氮氧化物的排放浓度限值将执行500mg/Nm3的标准。新老标准的对照比较如下：名称水泥窑及窑磨一体机煤磨及冷却机破碎机、磨机、包装机及其它通风生产设备颗粒物二氧化硫氮氧化物(以NO2计)氟化物(以总F计)颗粒物颗粒物老标准现有生产线2006.7.1-2009.12.3110040080010100502010.1.1以后5020080055030新建生产线2005.1.1以后5020080055030新标准现有生产线2013.1.1-2015.12.3150200800550302016.1.1以后3010050053020新建生产线2013.1.1以后3010050053020重点地区205030032010《水泥工业大气污染物排放标准》新老标准对比表单位：mg/Nm3注：1、重点地区具体地域范围、实施时间，由国务院环境保护行政主管部门或省级人民政府规定；2、新建生产线是指环境影响报告书通过审批的新、改、扩建水泥矿山、水泥制造、水泥制品生产线。1、氮氧化物的概述二、NOx的生成机理及排放现状氮氧化物（NOx）是指氮的氧化物的总称，主要包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等。氮的各种氧化物中，除NO2外，其他均不稳定。污染大气的主要是NO及NO2、N2O，此外，N2O3也是大气特别是高层大气的污染物之一。环境监测废气中的氮氧化物（NOx）一般是指NO及NO2这两者的总称。NOx对人、动植物具有极大危害性。当空气中的NOx含量达100～150ppm时，人在0.5～1h内就会引起肺水肿而死亡；当空气中NOx含量2.5ppm时，豆类及西红柿叶子在7h后就变成白色。NOx也是形成酸雨、酸雾的原因之一，它还能与碳氧化物形成光化学烟雾。水泥厂烟气中的氮氧化物（NOx）主要为NO和少量的NO2，其中NO占95%以上（通过对多条水泥生产线的实际检测和标定的结果看，在预热器出口NO2含量只占0.5%左右，在618风机出口NO2含量也小于2%）。2010年全国水泥产量18.7亿吨，排放NOx约200万吨，平均单位水泥产品氮氧化物（NOx）排放量为1.07kg/t-ce；《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册》显示，≥4000t/d水泥熟料生产线NOx的排放量为1.584kg/t-cl。①热力型NOx（ThermalNOx）,为空气中的N2在高温下氧化而产生的NOx。产生量主要取决于温度，低于1350℃几乎不生成，但温度超过1500℃将大量生成。N2+ONO+NO2+NNO+ON+OHNO+H其生成量与燃烧温度、氧气浓度、高温区停留时间等有关。2、水泥熟料生产线氮氧化物的形成机理②燃料型NOx（FuelNOx）,是燃料中的氮的化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成。挥发分N中的NH3和HCN的氧化途径。③快速型NOx（FenimoreNOx）,是空气中的N2与燃料中的碳氢离子团（CH、CH2等）在反应区附近快速生成的NOx，其生成量较少，一般占总NOx的5%以下。快速型NOx的形成途径。④燃烧过程中NOx的三种形成机理对排放量的贡献3、氮氧化物的排放现状①系统中NOx的产生部位及形式。集团对NOx的减排工作十分重视，目前熟料生产线的整体NOx排放状况控制较好（也有个别排放异常较高），根据调度中心统计数据初步归纳分析如下：。分生产线规模统计结果如下表：生产线规模数量（条）NOx浓度正常值（mg/Nm3，10%O2）NOx浓度范围（mg/Nm3，10%O2）2000-2500t/d8777580-10804000-5000t/d60748520-10708000-10000t/d5692520-800②集团内水泥熟料生产线NOx的排放状况分炉型统计结果如下表：序号炉型数量（台）NOx平均排放浓度(mg/Nm3)1TDF197492CDC118313NST257484CKSV126865FLS+POLYSIUS6718分区域统计结果如下表：序号区域生产线数量（条）NOx平均排放浓度(mg/Nm3)1省内327222湖南77253江西47634广东66665广西99136川渝48397陕甘57058贵州38579苏浙385410合计/平均73750三、NOx减排技术1、烟气脱硝方法NOX减排技术二次减排技术一次减排技术选择性非催化还原（SNCR）法选择性催化还原（SCR）法降低烧成温度降低空气过剩系数火焰长度窑截面空气流量低NOX燃烧器分级燃烧技术1、低氮燃烧技术方法分类低氮燃烧技术是应用最广泛、经济实用的NOx减排措施。它通过改变燃烧设备的燃烧条件来降低NOx的形成，具体来说，是通过调节燃烧温度、烟气中的氧的浓度、烟气在高温区的停留时间等方法来抑制NOx的生成或还原已生成的NOx。低氮燃烧技术方法主要有：1、分解炉分级燃烧；2、采用低NOx燃烧器（改变火焰形状、降低一次风量等）；3、优化操作和配料（降低过剩空气系数、降低烧成温度等）。（1）低氮燃烧技术2、分解炉分级燃烧技术原理分解炉分级燃烧有两种形式：空气分级燃烧和燃料分级燃烧。空气分级燃烧是指将燃烧所需的空气（三次风）分成两级送入，使第一级燃烧区内过剩空气系数α在0.8左右，燃料先在缺氧富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，且燃烧生成的CO与NO进行还原反应。将燃烧用的空气的剩余部分输入二级燃烧区内，保证燃料的完全燃烧。燃料分级燃烧是指在烟室和分解炉之间建立还原燃烧区，将原分解炉用燃料的一部分均布到该区域内，使其缺氧燃烧以便产生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等还原剂。这些还原剂与窑尾烟气中的NOx发生反应，将NOx还原成N2等无污染的惰性气体。此外，煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型NOx产生，从而实现水泥生产过程中的NOx减排。主要化学反应过程如下：2CO+2NO→N2+2CO22H2+2NO→N2+2H2O2NHi+2NO→N2+…分解炉分级燃烧的原理虽然都一样，但具体采用的燃料分级燃烧形式，选择还原区的位置却各不相同。常见的分级燃烧还原区位置有窑尾烟室、烟室上升烟道和分解炉锥部三种，例如：POLYSIUS烧成系统采用窑尾烟还原区，FLS和南京院采用烟室上升烟道还原区，日本川崎采用的是分解炉锥部还原区。各种燃料分级燃烧形式形成还原区的分煤量也各不一样，但一般分级燃烧技术的脱硝效率在15-40%左右。3、燃料分级燃烧技术方案枞阳海螺万吨线分级燃烧工艺流程图（POLYSIUS,烟室喂煤量为分解炉喂煤量的10%，1-3t/h）(1)POLYSIUS分级燃烧技术方案铜陵海螺万吨线设计分级燃烧工艺流程图（FLS，脱氮区喂煤量分解炉喂煤量的100%，31t/h）(2)FLS分级燃烧技术方案C-KSV分解炉炉底喷腾床的中心部位，设有两个燃料喷嘴，由此喷入的燃料在低氧状态下燃烧，可使窑烟气的NOx还原，减小其排放量，整个系统排放量设计值仅525mg/Nm3。还原区下喷煤点上喷煤点分解炉(3)CKSV低氮型分解炉南京院设计的5000t/d线分解炉分级燃烧改造示意图（脱氮区喂煤量最大为分解炉喂煤量的70%，一般为6-8t/h）(4)南京院分级燃烧技术方案日产5000t熟料生产线低氮燃烧改造工艺流程图(5)海螺开发的分级燃烧技术方案日产5000t熟料生产线分解炉改造前后情况主要改造的技术要点：喷入分解炉的煤粉，通过分煤管线改造，分成上下两层四个喷煤管进入分解炉，将一部分煤粉引入分解炉锥部，在缺氧的情况下进行不完全燃烧，生成大量CO、HCN等还原成分，在锥部形成强还原区，还原回转窑中生成的氮氧化物。调整分解炉锥部煤粉燃烧空间，使煤粉的燃烧更加充分；对窑尾烟室入炉烟气进行整流，改变上升烟道尺寸，使窑内烟气入炉流场稳定；窑尾烟室上升管道与分解炉锥部连接处设计弧面跳台，防止塌料现象发生，同时易于生料与气流充分混合；根据原系统运行情况，调整C4下料点位置，使生料沿分解炉锥部内侧下滑，避免分解炉锥部高温结皮现象；根据原三次风入炉速度及分布情况，改造三次风入炉形式，调整三次风入口形状、面积和风速。4、分解炉分级燃烧技术实例介绍枞阳海螺万吨线烧成系统为引进欧洲某水泥装备公司21世纪最新一代特大型预分解系统，系统采用了先进的低NOx分级燃烧技术,其系统主要有窑头燃烧器和低NOx型分解炉。(1)枞阳海螺万吨熟料生产线分级燃烧脱氮技术使用情况分级燃烧原理图现场照片：三次风上下部入炉,上部一路入炉,下部两路入炉上挡板下挡板三次风管窑尾脱氮燃烧器烟室脱氮燃烧器主要工作原理：通过窑尾烟室用煤，在窑尾烟室和分解炉底部形成还原气氛，分解炉底部及窑尾烟室的O2含量下降，相应的CO气体含量增加；分解炉下部三次风入口与顶部三次风管入口之间也在还原气氛下操作，通过调整风量及喂煤量达到该目的；窑尾烟室至下三次风入口区域内的还原气氛，不仅使得已生成的NOx得到还原，还抑制了新的NOx生成,可使NOx排放浓度进一步降低；上三次风管以上区域因顶部三次风的加入，形成氧化气氛，保证CO及燃料的完全燃烧。使用效果分析：经操作调整后，脱氮装置使用后，窑喂料不变，预热器出口NOx排放由600ppm降低到450ppm。海螺与川崎公司联合，通过计算机模拟技术，结合万吨线上分级燃烧的实际应用情况，开发了低NOx型分解炉，该分解炉设计上在炉底喷腾床的中心部位，设置有燃料喷嘴，其主要工作原理是在分解炉内形成一个大的、有较强CO浓度的还原区域，确保把窑内形成的NO完全还原成N2，同时对分解炉的燃料N进行还原控制。当煤粉中N含量1%时，该系统NOx的排放设计值520mg/Nm3(O2含量10%)。(2)5000t/d熟料生产线低NOx型C-KSV预分解系统应用情况低NOx型C-KSV分解炉目前使用该类型分解炉的生产线已投入运行20条，整体运行效果较好，NOx排放量在500mg/Nm3(O2含量10%)左右。通过增加窑尾缩口尺寸，将原先入分解炉2点喂煤改为4点喂煤，并将其中两点喂煤位置定在窑尾缩口上方，在窑尾缩口上方形成单独还原区，形成CO，利用CO还原NOx，达到降低NOx目的。目前该技术改造项目已投入运行，效果良好。(3)芜湖海螺5000t/d水泥熟料生产线分级燃烧技术改造应用情况改造方案:分级燃烧技术改造工艺流程图现场改造后的照片低氮燃烧技术改造三维效果图改造效果:改造前后主要运行参数对比序号参数名称单位浙江某海螺改造前改造后1熟料产量t/d581458092熟料热耗Kcal/kg.cl7817773预热器出口温度℃3613574预热器出口负压Pa540053005506风机转速rpm8007706预热器出口O2含量%3.73.57预热器出口NOx浓度ppm5803698C1出口NOx浓度（10%O2）mg/Nm37574769脱硝效率%37.1从上表可以看出，改造前后窑的熟料产量不变，煤耗下降，熟料质量基本无变。506风机转速下降30rpm，预热器出口温度下降4℃，负压下降100Pa左右。预热器出口NOx从580ppm下降至369ppm左右，NOx减排效率达37%，从目前运行状况看，改造后对正常生产无其它影响。5、