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3SNCR原理及其布置
一般而言采用无烟煤的生产线的NOx排放浓度较烟煤高约300mg/m3[1],石油焦燃点高于无烟煤,挥发分也低于无烟煤,所以回转窑在使用石油焦作燃料时,NOx排放浓度应该较无烟煤更高,单纯依靠分级燃烧技术难以实现性能保证指标,所以本项目增设了一套使用25%浓度氨水的SNCR系统。研究表明,氨水脱硝的窗口温度为850~1050℃,而DDF炉的出口温度在866℃左右,C5入口温度在875℃左右。所以鹅颈管是DDF炉系统的最佳脱硝位置,将氨水喷头分上下两层共8个喷头安装在分解炉出口以及鹅颈管上。
4问题及分析
4.1烟室NOx超标
在调试期间,因为使用石油焦做燃料,窑尾烟室NOx含量高达1520mg/m3,烟囱出口的NOx为1250mg/m3,远高于其他项目同类型分解炉的排放浓度。石油焦燃烧特性类似无烟煤,挥发分较低,燃点较高,燃烧时需要较多的氧气参与,从而需要大量空气,会产生更多的热力型NOx。同时石油焦的氮含量远高于煤,根据日本丰桥大学的固体燃料氮含量转化率[2](式1),使用表1中的数据计算出石油焦的氮转化率在回转窑中为1.2左右,在分解炉中转化率为0.9左右,意味着不仅燃料中的氮几乎全部转化为NOx,还会将空气中的氮氧化。
CR=4.07×10-1-1.28×10-1N+3.34×10-4V2×(a-1)+5.55×10-4Tmax+3.5×10-3Ro2(1)
式中:
CR——燃料中N转化率;
N——燃料中干燥基含氮量;
V——燃料中干燥基挥发分含量;
a——过剩空气系数;
Tmax——燃烧时的最高温度;
Ro2——燃烧时氧的浓度。
烟室内NOx含量高的另一个原因是窑头一次风量过大。本项目要求适用两种固体燃料,其中煤的热值为24554kJ/kg,远低于石油焦热值,但对于燃料输送系统来说需要根据大用量、低热值的煤粉来选型。所以在使用石油焦时燃烧器煤粉输送风量过大。根据石油焦的热值,窑头需用量为6t/h左右,输送风量只需要大约1200m3/h,而煤粉输送设备能力为3332m3/h,远大于实际需要风量。但煤粉输送管道的直径已定,罗茨风机是固定转速,风量也只能依靠旁路放风来调节,为保证燃料输送过程中不在管道中沉积,风量仅能下调25%,虽然NOx指标有所下降(1260mg/m3),但一次风量仍然过剩,在石油焦的高温火焰中形成大量热力型NOx。
4.2分解炉的调节和使用
DDF炉的三次风和物料是分别进入分解炉,能够充分利用分级燃烧机制。为了扩大炉内还原气氛区域,考虑一次风较大,所以在生产中三次风下部进风口开度为5%,95%由上部进风口进入分解炉;在确保烟室不结皮情况下,关闭下部进料口,采用上部进料口为70%,中部进料口为30%的喂料方式;石油焦则主要以低氮分解炉为主喷入,上部主燃烧器为辅,尽可能在炉底形成含有较多CO的还原气氛。CO含量增大,最佳脱硝温度持续往低温方向移动,同时最佳脱硝反应温度下的脱硝效率(称为最佳脱硝效率)呈下降趋势,这一点在氨水作为还原剂时尤为明显[3]。同时燃料在悬浮条件下快速燃烧,随着CO2浓度的升高,燃烧着的煤粉与CO2反应而生成的CO量相对增加,CO浓度增加会促进焦炭中活性炭的增多,高温下活性炭可直接与NOx反应生成N2,进一步降低NOx的排放浓度。经过分解炉的分级燃烧和还原气氛的作用,烧成系统的NOx排放浓度有了明显改善,在不使用SNCR系统情况下,烟囱的NOx排放浓度降低到720mg/m3。
4.3RDF的使用
本项目使用的RDF含有较高的碳、氢,热解气化后生成较多的可燃气;几乎为零的氮含量说明在热解过程中不会产生NOx。根据研究RDF在燃烧过程中会产生大量CHi以及CO,而这些成分都可以进一步将NOx还原为N2。而相对较高的水含量(15%,远高于煤粉的0.8%)在高温下,水分子裂解,能够进一步增强分解炉内还原气氛。系统稳定后在分解炉开始加入4t/h的RDF燃料,分解炉燃烧器系统的石油焦使用量由原来的9t/h,降低为7.5t/h(该数值并没有严格按照热值换算,可能与水分等其他因素有关)。经过几天的生产测试,在以RDF为辅助燃料时,系统运行良好,保持产能不变情况下,RDF投入量也由原来的4t/h提高到6t/h,在不使用SNCR时,窑尾的NOx平均浓度值为430mg/m3。
4.4测试结果
在生产稳定后,保证熟料产能4000t/d的基础上,对脱硝系统进行性能测试,见图2,当RDF喂料量为4t/h时,氨水使用量平均值为389.8L/h,NOx排放浓度为392mg/m3,氨逃逸浓度低于5mg/m3;在保证氨逃逸浓度不超标情况下,加大氨水喷入量,在630L/h时,曾实现窑尾NOx排放浓度低于300mg/m3。
5结论
经过半年的生产统计,DEV项目使用DDF炉脱硝取得良好效果。通过分级喂入原燃料,三次风分级进入燃烧区域,合理利用了分级燃烧机制,实现了高氮燃料的低NOx排放目标;较大的炉容和多级喷腾缩口效果满足RDF等替代燃料的要求。通过本项目实践可知:
1)采用石油焦为燃料时,DDF炉能实现低氮排放的要求。
2)烧成系统考虑两种固体燃料时,对热值较高的燃料容易产生一次风过大的情况,固体燃料输送管道的直径尽可能综合考虑,满足两种燃料的要求,同时罗茨风机尽可能采用变频。
3)使用RDF替代高氮燃料时,不仅能降低成本,同时能够降低窑尾废气的NOx排放浓度。
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