水泥窑炉空气分级燃烧

  近年来,水泥工业随着现代城市建设的需要而得到了快速的发展,但是水泥生产过程中产生的废气对环境的污染也在不断加剧,特别是废气中的NOx对大气环境的影响已非常严重。由此,本文从以下几个方面系统介绍我公司治理水泥窑炉烟气中NOx的烟气脱硝技术,希望能对水泥窑炉NOx治理起到一定的借鉴作用。

1 水泥窑炉NOx产生机理

  在新型干法水泥生产工艺中,回转窑和分解炉是水泥物料烧成的两个关键设备。然而,回转窑和分解炉也是NOx生成的主要来源。
  在水泥熟料生产过程中,大约有40%左右的煤粉从回转窑窑头的多通道燃烧器喷入窑内,并进行高温燃烧,为煅烧物料的熔融和矿物重结晶提供足够的温度,但物料温度必须超过1400℃时才会发生物料熔融和矿物重结晶现象,因此通常需要将窑头燃烧器形成的火焰温度控制在1800~2200℃之间,然而这样在回转窑内就会生成热力型NOx和燃料型NOx,且均有较多的形成比例,其中尤以热力NOx为主。同时,大约60%左右的煤粉进入分解炉,炉内的温度一般在850~1100℃范围内,在此温度下,基本可以不考虑热力型NOx的形成,主要是燃料型NOx。

2 水泥窑炉空气分级燃烧技术

2.1 基本原理
  水泥窑炉空气分级燃烧是目前最为普遍的降低NOx排放的燃烧技术之一。其基本原理如图(一)所示:将燃烧所需的空气量分成两级送入,使第一级燃烧区内过量空气系数小于1,燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧,使得燃烧速度和温度降低,从而降低了热力型NOx的生成。同时,燃烧生成的CO与NOx发生还原反应,以及燃料氮分解成中间产物(如NH、CN、HCN和NHx等)相互作用或NOx还原分解,从而抑制了燃料型NOx的生成,具体反应如下:

2CO + 2NO → 2CO2 + N2 (1)
NH + NH → N2 + H2 (2)
NH + NO → N + OH (3)

  在二级燃烧区(燃尽区内,将燃烧用空气的剩余部分以二次空气的形式输入,成为富氧燃烧区。此时,空气量增多,一些产物被氧化生成NOx,但因温度相对常规燃烧较低,因而总的NOx生成量不高,具体反应如下:

CN + O → CO + NO (4)
水泥窑炉空气分级燃烧技术示意图

图(一)水泥窑炉空气分级燃烧技术示意图

2.2 改造方案及效果
  如图(一)所示,我公司将保持原分解炉主体结构不变,在分解炉烟室预留的脱硝还原区设置高速喷煤嘴,让喷入的煤粉在此区域内缺氧燃烧,产生适量的还原气氛,与窑气中的NOx发生反应,将NOx转化为无污染的N2。同时将三次风管入分解炉的部分管道抬高到相应位置。整个窑尾用煤总量与改造前保持一致,只是进入分解炉及还原区的用煤量不同。

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