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生料经悬浮预热器预热后,进入分解炉内发生分解反应,然后从窑尾进入回转窑中,在回转窑内完成烧成过程,最终形成熟料并从窑头卸入冷却机。煤粉在回转窑窑头及分解炉两处燃烧。新型干法水泥窑系统中NOx主要的产生区域在回转窑和分解炉两处。分解炉内温度较低(小于1200℃),主要以燃料型NOx为主;回转窑内除产生燃料型NOx外,其内最高气体温度可达2200℃,会生成大量的热力型NOx。
需要指出的是,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。
怎么降低氮氧化物的排放?
水泥行业目前仍施行GB4915-2013大气污染物排放标准,颗粒物、二氧化硫、氮氧化物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、二氧化硫、氮氧化物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,业内专家表示,以5000t/d生产线为例,颗粒物和二氧化硫的达标排放企业的改造费用分别预计在800万和300万左右,氮氧化物的技改花费的成本则比较高,主流的可以通过SNCR+分级燃烧+低氮燃烧和SCR技术进行改造以达到100mg/m3以下。
SCR选择性催化还原技术,是目前世界上的脱硝主打技术。以氨水或尿素为脱硝剂,在吸收塔内的催化剂作用下作催化选择吸收,脱硝率可达80%~90%。其弊端在于如烟气尘粒堵塞催化剂层问题,烟气中的碱性物质、CaO、SO2会使催化剂中毒失效问题等。
SCR有自己的温度窗口,一般在250~450℃之间。需要强调的是,低于这个温度会增加NH3的逃逸率,导致脱硝效率下降,甚至形成NH3和CO污染,而且催化剂会促使烟气中的SO2转换成SO3,NH3会与SO3反应生成硫酸铵堵塞催化剂的反应通道;高于这个温度,特别是高于500℃会造成V2O5烧结和挥发失效,造成较大损失。另外,催化剂的投入大,而且寿命估计只有3年左右且依赖进口。
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。脱硝率一般为50%~80%,氨水消耗量巨大,NH3的逃逸率较高,可达SCR的3倍以上。
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SNCR,在稳定的窑况下,也可实现超低排放,且该方案相比直接更换SCR的成本更低。客观来看,企业应该选择哪种技改方案应该结合企业自身实际来看,仅仅照搬火电行业的经验是不行的。
在经济角度来看,SCR技术仅改造费用预期在3000万左右,另外还有催化剂的成本,远远高于SNCR+其他技术改造费用,但有业内专家表示,SCR是以后的趋势,水泥企业在当前越来越严格的环保趋势和去产能大环境下,选择至关重要。
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