分解爐分級燃燒減排NOx的新發(fā)現(xiàn)

工業(yè)360 · 2013-08-07 08:39 留言
  1、引言
  水泥工業(yè)面對環(huán)保要求和二次燃料利用不斷提高的背景,需要使用既經(jīng)濟又高效的方法來降低NOx的排放量。分級燃燒工藝看來尤其適宜這一要求。但是,它只能用于裝備有分解爐和單獨的三次風管道的回轉(zhuǎn)窯廠。
  對回轉(zhuǎn)窯實施分級燃燒的操作者來說,重要的是要清楚在生產(chǎn)過程中的影響變量,以便能最大限度地降低NOx。運行經(jīng)驗表明,對NOx削減率強烈地依賴于窯系統(tǒng)和操作方式。對于過程效率變化的原因還不十分清楚。從火電站獲得的有關(guān)分級燃燒的經(jīng)驗,只能有限地應(yīng)用到預(yù)分解窯系統(tǒng)中,因為分解爐的分級燃燒,受到與之同時發(fā)生的石灰石煅燒吸熱反應(yīng)的嚴重影響。
  水泥工業(yè)研究院已經(jīng)開展的研究項目,企圖找出在分級煅燒中對降低NOx起至關(guān)重要的工藝影響變量和化學反應(yīng)。研究的重要結(jié)果如以下所述,詳細描述參見文獻。
  2、研究過程
  國際上有許多種分級煅燒的分解爐?,F(xiàn)代的低NOx分解爐在幾何構(gòu)型、燃料入口位置和優(yōu)化分級燃燒的過程監(jiān)測上都大不相同。NO的分解發(fā)生在含氧量低的還原帶。借助控制裝置能夠有選擇的分開進入分解爐的燃料流、空氣流和生料流,正是這樣建立利于NO分解反應(yīng)的分級燃燒條件。
  本次研究中,運行試驗是在配有如圖1、2所示的兩類分級燃燒、帶有分解爐的6個不同窯中進行的。運行設(shè)置系統(tǒng)地改變,相應(yīng)地記錄了這些改變對NOx的排放影響。整個過程中NO生成和分解反應(yīng)發(fā)生點和反應(yīng)發(fā)生的條件都通過精準完備的NO濃度測定來進行確定。
  3、分解爐中過??諝饴屎腿剂戏N類對NO分解的影響
  從實驗室和中間試驗可知,分級燃燒NOx減排程度最大時,分解爐還原帶的過??諝饴视袀€最佳值。當高于這個值時,由于還原帶中氧氣濃度升高,導致NO的生成反應(yīng)加強;低于這個值時,還原帶內(nèi)NO的分解反應(yīng)較生成反應(yīng)有利。然而在氧氣富集的氧化帶,這些在還原帶生成的中間產(chǎn)物(CHN,NH3等)和夾雜在其中的N又會與氧氣反應(yīng)生成NO。理論上,用煤做燃料時的最佳過??諝饴蕿?.8-0.9。這也常被作為預(yù)分解爐分級燃燒系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。
  在3個預(yù)分解爐窯系統(tǒng)中生產(chǎn)每噸熟料NO質(zhì)量流增加和減少的情況,還原帶內(nèi)平衡時過??諝饴适荖O量的增加和減少的變數(shù)。平衡過??諝饴视杉尤氲娜剂虾涂諝饬坑嬎愠鰜怼8鶕?jù)設(shè)計,B窯的過??諝饴什荒艿陀?.9,但A窯和C窯的過??諝饴士梢栽O(shè)定為0.6和0.4。分級燃燒NOx減排的效果隨著過??諝饴实慕档投龃蟆J褂煤置簳r,這一關(guān)系變得尤為明顯。只有在A窯中使用的是煤與油焦的混合燃料時,找不到過剩空氣率對NO有任何影響。由上述結(jié)果可知,燃料揮發(fā)分的比例和燃料的活性在此關(guān)系中起著決定性的作用。在還原帶中,燃料釋放的氮越多,降低過??諝饴仕苓_到的還原反應(yīng)越完全。揮發(fā)分的含量越高,NO被碳氫化合物還原的程度越大。在C窯中的試驗結(jié)果表明,可以通過使用磨細煤粉來提高分解爐內(nèi)NOx的減排程度。其原因可能是因為煤粉越細,燃料熱解時加速釋放出揮發(fā)分。
  分解爐中分級燃燒時的最佳過??諝饴蔬h低于0.8。這個結(jié)果與火電站提供的經(jīng)驗值相矛盾。為了找出產(chǎn)生矛盾的原因,研究人員對5個窯還原帶中的HCN和NH3濃度分別進行了濕法化學分析。結(jié)果表明,測得的NH,濃度隨過??諝饴实慕档投撸@個結(jié)果與火電站提供的經(jīng)驗值相一致。在過??諝饴蕿?時,NH3的濃度為50-1OOppm,在過??諝饴屎艿偷膫€別情況下,NH3濃度會達到700ppm。而在還原帶中沒有檢測出HCN(在某些情況下還原帶中的含氧量極小,約為0.1-0.5vol.%,HCN在此環(huán)境下不會被完全氧化成NO)。因此可認為,HCN是在燃料高溫熱解時才釋放出來,或者是在NO分解時形成,又大多轉(zhuǎn)化成NH3。由于煅燒爐內(nèi)存在大量起催化作用的CaO,上述反應(yīng)很完全,因此,幾乎沒有HCN能夠到達燃盡區(qū),因而不能在此生成NO。另外,當燃盡區(qū)的溫度在溫度窗口范圍內(nèi),生成的NH3促使更多的NO分解,有利于SNCR反應(yīng),還原帶過??諝饴实淖罴阎狄蚕鄳?yīng)地向低值移動。
  這實際上表明,對于2型分解爐,應(yīng)限定三次風管道和尾氣管道的尺寸,以便使過??諝饴誓芙抵梁艿偷闹?。對于1型分解爐,應(yīng)盡可能地提高加入分解爐燃料的比例,尤其對活性燃料,如褐煤。而對A窯和C窯來說,增加入窯燃料的量是有限制的。
  分解爐中很適合引入二次燃料,這說明也可以使用顆粒較粗的、低熱值的燃料。在分段燃燒系統(tǒng)中,在保證總熱值不變的條件下,將部分一次燃料用二次燃料替代,研究對降低NOx可能的影響。所使用的兩種不同的二次燃料的揮發(fā)分含量均在70%左右,但細度不同。在B窯中,約30%的高活性煤被較粗的二次燃料所替代,因此燃燒得較慢。燃料中又含有相當量的氮,導致了NO的生成量增加,約為0.24kg NO2/t熟料(圖5)。使用不同活性的兩種燃料造成的影響是,兩種燃料轉(zhuǎn)化的比例不同,促使完全燃燒要在更高的氧含量下進行。在C窯中,當約30%的低活性煤被高活性的二次燃料替代時,出現(xiàn)了不同的結(jié)果。燃料中含有較高的揮發(fā)分,以及低于1.2%的氮,在過??諝饴蕿?.5的條件下,使用二次燃料能大大地降低NOx的量,為0.2kgN02/t熟料。在過??諝饴瘦^高的條件下,這個結(jié)果不會出現(xiàn),原因是碳氫化合物迅速燃燒而被消耗,不能再分解NO。
  4、分解爐中溫度對NO分解的影響
  在D窯中的試驗證明,將原料分步加入,能有效提高還原帶的溫度。溫度升高,則NO分解增多。該試驗使用的是褐煤。一個實驗是,將全部原料隨著三次風和燃料一起加入還原帶的下部,測出還原帶的溫度為860℃,與沒將原料分段加入時的燃盡帶的溫度一樣。這個溫度比石灰石分解平衡溫度要稍高一些。分段喂料的操作程序是,在加入燃料約0.5秒后再加入大部分的原料。結(jié)果引起爐內(nèi)下部的溫度升高,加入燃料后測得的溫度是1170℃。在這個溫度下窯系統(tǒng)運行不正常,能引起結(jié)皮和爐內(nèi)襯耐火材料的損壞(見下文)。
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  D窯中CO和NO的質(zhì)量流量在分解爐內(nèi)滯留時間的變化規(guī)律。還原帶溫度升高能加速燃料的轉(zhuǎn)化。這也可以從還原帶末端測得的殘留焦炭(89%和95%)的燃盡程度看出。原料加入的方式不同,不僅導致了分解爐內(nèi)溫度的變化,而且能引起爐中心部位壓降和空氣在窯系統(tǒng)內(nèi)分布的變化。由于兩種作用相互抵消,盡管燃料的轉(zhuǎn)化率不同,在兩個實驗中,還原帶的有效過??諝饴示辉O(shè)定為1.3。NO質(zhì)量流變化曲線可看出,在加入燃料后,還原帶的溫度馬上升高,增加了NO的分解。顯然,溫度對NOx的減排有重要的影響。主要的反應(yīng)有:NO被碳氫化合物和NH2-化合物還原,同時還有NO被殘余的焦炭所消耗。從實驗室試驗結(jié)果可知,NO與CaO的還原反應(yīng)與上述反應(yīng)相比,不是主要的反應(yīng)。
  5、其他因素對NO分解的影響
  研究表明,分解爐內(nèi)NO的分解隨著窯尾NO濃度的增大而增加;爐入口的NO質(zhì)量流變化與爐內(nèi)NO的分解有一個近似線性的關(guān)系。這里要說明的一點是,即使在分解爐中NO的還原反應(yīng)增大,也只能消耗回轉(zhuǎn)窯中NO的量的一部分。因此,要達到降低NOx的目的,需將在主燃系統(tǒng)中NO的生成量控制在低范圍內(nèi)。
  窯系統(tǒng)的測量結(jié)果表明,燃料在氣流中快速、均勻地混合是個有利因素。這證明了試驗中的發(fā)現(xiàn):充分均勻混合對碳氫化合物還原NO至關(guān)重要。通過在大橫截面的分解爐內(nèi)同一高度上多設(shè)燃料進口孔,能提高燃料的均勻混合程度。將燃燒器軸心對主氣流方向傾斜也能達到目的。要使在還原帶末端的燃盡空氣混合均勻,重要的是保證在還原帶的滯留時間足夠充分,原料中的HCN能轉(zhuǎn)化成NH3。產(chǎn)生的NH3能在燃盡帶還原NO。在試驗中無法系統(tǒng)地改變這些參數(shù),因此沒法獲得有關(guān)在還原帶滯留時間和混合速率的信息。以后的研究仍需致力于優(yōu)化分級燃燒分解爐的設(shè)計。
  對F窯的試驗顯示,對原回轉(zhuǎn)窯改進,裝上一個能分級燃燒的小分解爐(熱量比例<20%),并不能降低NOx的排放。原因有兩方面:一是,由于分解爐中還原帶所在位置容量有限,在其中的滯留時間不夠長;二是,盡管使用的是高質(zhì)量的燃料,但是不能保證CO在燃盡帶充分燃燒。因此不能將還原帶的過??諝饴试O(shè)置得很低。
  6、低NOx燃燒運行模式的限制
  在優(yōu)化分級燃燒系統(tǒng)的過程中,要確保對其它方面沒有不利影響。例如,不能對熟料性能產(chǎn)生不良影響,不能影響窯的運行,不能排出其它有害物質(zhì)。這些約束常常限制了NOx排放的降低。試驗中嚴格遵守這些限制條件。燃燒器中的運行設(shè)置稍有變動,會直接影響到窯系統(tǒng)中的空氣的分布和分級燃燒狀況。例如在1型爐中,如果部分燃料從三次風管道跑到窯列中,為了避免該點的溫度過高,就要向窯列多加生料。但是生料對氣流產(chǎn)生流動阻力,因此多加生料造成了此處分解爐的附加壓降,窯列和回轉(zhuǎn)窯中的燃燒的空氣量降低。反之,三次風量增大。相同的情況也發(fā)生在2型爐中,盡管影響很小。例如,如果將所有原料不分段一起加入分解爐底部,會導致排氣口的壓差增大,使得整個回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒空氣相對減少。另一方面,在加入燃盡空氣之前將部分原料分段加入,將導致排氣管的壓差減小。這表明通過窯內(nèi)的空氣增多,通過三次風管道的空氣減少。除了分段加入原料,分段加入空氣同樣對窯系統(tǒng)的空氣分布有影響。例如,在D分解爐中,將空氣分段加入,當空氣加入量從最小(關(guān)閉上風擋板)變至最大(打開上風擋板),三次風的體積增加了10%。
  窯系統(tǒng)中空氣的分布變化對爐內(nèi)氧氣含量和窯中NO的產(chǎn)生有直接的影響。表2中的數(shù)據(jù)是在A窯運行模式不同時,窯入口處氧氣濃度和除塵后氣體中NOx的濃度。
  在窯列加入的燃料越多,窯入口的氧氣含量越少,可減少回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)燃燒時產(chǎn)生NO。在1型爐中的試驗表明,加入盡可能多的燃料有兩個好處:一是增加NO的分解,一是降低回轉(zhuǎn)窯燃燒系統(tǒng)中NO的產(chǎn)生?,F(xiàn)代預(yù)分解窯廠在三次風管道中設(shè)有閥門或閘板,能將回轉(zhuǎn)窯中的過剩空氣率限制在一個確定的范圍內(nèi),這樣能抵銷由燃燒制度的改變而引起的任何空氣分布變化。
  為了降低NOx而改變爐內(nèi)分級燃燒的運行設(shè)置,但設(shè)置過分的話,這種改變對回轉(zhuǎn)窯的運行和熟料性能都有不好的影響。因而對低NOx窯的操作有一定的限制。
  由于分段加入空氣或燃料(過剩空氣率變化)而引起的一些現(xiàn)象,直接影響到空氣在整個窯中的分布,因此也被當作影響因素列入表中。如果由于空氣分布的變化使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氧氣濃度降得太低,那么熟料可能會在還原條件下煅燒。在還原條件下,三價鐵會變成二價鐵。三價鐵含量的降低會影響熟料的顏色(變成淺棕色),影響熟料的相組成。在C窯的試驗中,當加入窯列中的燃料和粉料增加到一定程度,使窯尾氧氣含量降低到1.5vol.%以下,分級燃燒系統(tǒng)中還原帶的平衡過剩空氣率只有0.4,出現(xiàn)了短暫的還原條件下的煅燒。對窯的其他試驗過程中并沒有設(shè)置熟料在還原條件下燃燒的情況。其中一些在爐中應(yīng)用的燃燒操作對預(yù)分解率有些輕微的影響。但是,在所有試驗中,對游離氧化鈣的含量均控制在規(guī)定的范圍內(nèi),沒有出現(xiàn)問題。從這方面來看,分解爐的不同運作模式對熟料質(zhì)量沒有決定性的影響。
  如果回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氧氣含量太低,造成了窯后部的結(jié)皮和物料結(jié)球,窯系統(tǒng)將無法繼續(xù)運行。由于這些原因,試驗不得不提早結(jié)束。在這次試驗中,改變了燃料和原料的加入位置使窯入口處的氧氣含量降低到1.8vol.%,分段燃燒系統(tǒng)中還原帶的平衡過??諝饴式抵?.4。
  如果在燃燒爐中使用粗顆粒的燃料,燃料顆粒粒度大到使之不能懸浮于空氣中被空氣帶走,則在窯入口處需過量的氧氣量。例如,E窯中相當大一部分粗顆粒的燃料(粒徑大于20cm)沒有隨窯內(nèi)氣流走,而落到了窯的入口并在那燃燒。然而,在窯入口沒有充足的氧氣供應(yīng),則不揮發(fā)硫減少,內(nèi)部的硫循環(huán)系統(tǒng)顯著增加。這會引起結(jié)皮,即使實際中進行大量的清除工作也不能保證窯系統(tǒng)的正常運行。有時由于經(jīng)濟原因,燃料的細度處理受到限制。因此,為了能保證試驗與實際條件相近,為確保E窯系統(tǒng)的運行,將窯入口處的氧氣含量設(shè)到一個最小值,在3-5vol.%之間。
  在D窯中,當生料分段加入分解爐中有變化時,觀測到了內(nèi)部硫和氯的循環(huán)系統(tǒng)也發(fā)生了一些變化。由于生料明顯的分段加入,底級旋風筒的熱生料中氯、SO3和氧化鉀的含量均降低。與原料不分級加入相比,氯含量從0.9vol.%降至0.6vol.%,S03的含量從1.43wt.%降至1.27wt.%,氧化鉀的含量從1.83wt.%降至1.36wt.%。由于試驗時間只有12小時,還不能判定分段入料控制在哪個范圍內(nèi)能夠減少窯入口處的堵塞。分段入料的方法能有效地減少NOx的排放,但是由于爐內(nèi)表面結(jié)皮情況嚴重,溫度在高于900到950或980℃時,爐內(nèi)耐火材料會受到破壞,因此分段入料也受到了限制。分段入料在實際應(yīng)用中,關(guān)鍵是使熱料能夠準確可靠地分配。
  最后一個因素是,在極限情況下,降低還原帶的過??諝饴誓軌蚴谷紵髿怏w中的CO含量增大,引起這一現(xiàn)象的原因是缺氧燃燒,燃料燃燒不完全。例如,A窯中,當還原帶過??諝饴蕪?.8降至0.6,未凈化氣體中CO濃度從0.06vol.%升高到.08vol.%。在B窯中也出現(xiàn)了相同的情況。然而,在多數(shù)試驗中,分解爐的運行模式對預(yù)熱器后CO濃度無明顯的影響。試驗表明,為保證爐內(nèi)運行正常、燃料充分燃燒,還原帶的過剩空氣率只能降低到一個限定的范圍內(nèi)。
  7、結(jié)論
  水泥工業(yè)研究院的研究結(jié)果表明,在預(yù)分解爐中分級燃燒,對降低NOx的排放具有很大的潛力。NOx能被所研究的措施(分段導入空氣、物料、不同的燃料)降低到什么程度關(guān)鍵取決于特定工廠的操作和工藝技術(shù)因素。運行經(jīng)驗表明,對任何分解爐型,優(yōu)化其操作程序能夠?qū)Ox降低至500mg/m3。實際上,在短時期內(nèi)常常能夠得到較低的濃度,但是由于運行的原因,在持續(xù)運行過程中這個值不可能一直保持這么低。這樣就需要有二次降低NOx的措施,如SNCR工藝。然而將SNCR與分級燃燒的方法結(jié)合使用受到限制。

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