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張振崑:水泥廠執行超低排放脫硝脫硫解決方案探討

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張振崑:水泥廠執行超低排放脫硝脫硫解決方案探討

發布日期:2018-08-08 作者:張成剛 點擊:

張振崑:水泥廠執行超低排放脫硝脫硫解決方案探討


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亞泥中國條生產線于1998年開工建設,從1998年開始在大陸設廠,共建設了12條短窯生產線。公司秉持遠東集團“誠、勤、樸、慎˙創新”的企業精神,傳承臺灣經驗,致力在大陸建造高環保、高品質、高效率、低成本之“三高一低”的大型現代化模范水泥廠,為企業永續發展奠定良好基礎。

⎝⎛im电竞⎞⎠一直以來,公司均以“工業發展與環境保護可并行不悖”的理念,采用上先進的預熱預煅式旋窯設備,配合廢熱回收發電技術,有效節約能源,除引進先進的環保設備,有效控制污染物排放,使之遠低于標準外,每單位產品綜合能耗亦處于水泥企業能耗的先進行列,至于利用電廠、鋼廠的廢棄物如水渣、各類礦渣、脫硫石膏、粉煤灰等每年亦高達數百萬噸。公司還投入大量的人力、物力,致力于污染物排放治理研究、污水處理、礦山復育和環境綠美化,盡量保留各種原生植物,廠區礦山綠化成果績效卓著,廣受政府及社會專業機構之肯定。亞泥將持續進行脫硝脫硫技術研究改進,尤其在技術走在水泥行業的前列。亞泥也響應政府號召“要綠水青山、更要藍天白云”,積極進行探索實踐讓污染物排放低于標準。

一、污染物排放控制趨勢:

⎝⎛im电竞⎞⎠隨著社會的發展,政府對于水泥企業污染物排放要求日趨嚴格,對水泥企業生產管理、技術水平提出挑戰。從下表可以看出,江西省SO2和NOX污染物排放控制值呈現50%的遞減趨勢。2019年將實行特別排放標準,可以判斷若干年后將實行超低排放標準。

⎝⎛im电竞⎞⎠表1.江西省水泥企業污染物排放執行標準表:

⎝⎛im电竞⎞⎠※江蘇、河北、河南等地方NOX和SO2已經開始執行超低排放標準,分別要求小于100mg/Nm3、50mg/Nm3

二、超低排放脫硝技術:

氮氧化物排放治理可謂當前水泥行業大氣污染物減排面臨的大難題。目前,國內方案可以分為兩大類,一是過程控制(即:低氮燃燒,分級燃燒等改造方案),二是末端治理,主要包括SNCR和SCR,在實際應用中部分企業也采用了過程控制加SNCR脫硝的模式,取得了良好的效果,但是要實現超低排放要求,SCR脫硝更具可行性也更具潛力。

⎝⎛im电竞⎞⎠目前SCR脫硝技術在水泥行業應用面臨兩大難題,一是粉塵濃度高,導致催化劑堵塞,嚴重影響使用壽命并帶來催化劑中毒風險;二是對溫度要求較高,需要將催化還原溫度穩定在280度以上才能發揮SCR技術優勢。

江西亞東利用低氮煤粉燃燒系統+SNCR低氨脫硝系統進行超低排放脫硝技術研究,在不增加設備投資的條件下實現了窯尾NOX小于100mg/Nm3的超低排放控制目標。

三、江西亞東低氮煤粉脫硝(無氨脫硝)技術介紹:

江西亞東五六線預熱器采用洪堡雙系列六級旋風筒,其設計采用了超低壓損旋風筒、低氮分解爐、煤粉分級燃燒等多項創新技術,三次風管分A、B系列,共用管道式分解爐。窯尾氣體含氧氣(以下簡稱O2)量一般為2~3%,經上升風道的低氮燃燒噴煤點與五級旋風筒下來的部分生料混合,此處煤粉在缺氧狀態下燃燒產生大量一氧化碳(以下簡稱CO),其為強還原劑可將窯尾氣體中NOX還原成氮氣(以下簡稱N2),CO則被氧化成二氧化碳(以下簡稱CO2)同時釋放出熱量,該脫硝反應會持續進行至管道式分解爐中CO耗盡為止;三次風(含O2量19~20%)經三次風管的分解爐噴煤點與五級旋風筒下來的部分生料混合,此處煤粉在正常有氧狀態下燃燒,會產生一定量的NOX;窯尾氣流經上升風道和三次風管氣流匯合經過管道式分解爐上升后再下行進入六級旋風筒。低氮噴煤點至六級旋風筒進口的分解爐管道總長155米,生料在分解爐內熱交換時間長,同時低氮燃燒產生的CO與煙氣中NOX有充分的反應時間,保障了低氮燃燒的脫硝效果。

⎝⎛im电竞⎞⎠圖1.新式低氮分解爐與雙系列六級旋風預熱器。

低氮燃燒產生CO與窯尾及分解爐氣流中NOX反應生成CO2和N2的化學反應式為:CO+NO→CO2+1/2N2,此反應受高溫促進和生料催化會快速完成。

從圖1可以看出,洪堡短窯系統總共有五個噴煤點:窯頭噴煤點、A邊及B邊低氮燃燒噴煤點、A邊及B邊三次風管分解爐噴煤點,以上煤粉均采用單獨計量稱。其噴入煤粉量的比例如表2及圖2所示。五段旋風筒下料有兩條路徑,一條路徑進入上升風道,另外一條路徑進入三次風管,兩條路徑下料量的分配比例根據窯內及三次風管通風和溫度狀況進行靈活調整。低氮燃燒噴煤點的煤粉與五段旋風筒部分生料粉混合后一路上升進入分解爐,避免在噴煤點形成局部高溫,同時提高煤粉和生料粉混合的均勻性,促進生料脫酸效果。五段旋風筒下料分料及煤粉與生料粉混合技術系洪堡創新技術,為提高低氮燃燒噴煤點煤粉噴入量創造了有利條件。

低氮煤粉采用單獨煤粉稱進行計量控制,可以根據高溫風機出口CO及窯尾NOX進行快速準確調整低氮煤粉用量。國內設計分解爐煤粉共用一臺煤粉稱,煤粉分多個支路噴入分解爐,對于噴入低氮燃燒點的煤粉無法進行穩定準確控制,難以提高低氮煤粉脫硝效率。

⎝⎛im电竞⎞⎠低氮煤粉噴入點距離三次匯合點有25米高度差,當大量煤粉噴入到低氮燃燒點時,CO與NOX進行反應,高差大反應時間長,脫硝效率高。國內傳統設計分解爐低氮煤粉噴入點與三次風管匯合點只有2-3米,脫硝反應時間太短造成低氮煤粉脫硝效率低。目前國內部分水泥企業進行脫硝改造將三次風管匯合點抬高,增加脫硝反應時間,對于提高脫硝效率具有明顯效果。

分解爐通風面積與三次風管通風面積的比例將影響低氮燃燒噴煤點與三次風管分解爐噴煤點的煤粉用量、及生料預分解脫酸效果。洪堡新式低氮分解爐通風面積經適當加大,分解爐通風面積與三次風管通風面積之比由原設計的0.78提高到0.86。將分解爐加大加高,除了有利于增加低氮燃燒煤粉用量來進一步降低NOX排放,還可降低窯頭煤粉用量減少熱力型NOX生成量,同時確保入窯生料脫酸度高且穩定,為旋窯熟料燒成穩定奠定了基礎。

表2.短窯系統噴煤點及噴煤量比例(%,質量百分比)。

⎝⎛im电竞⎞⎠圖2.江西亞東#6窯各噴煤點煤粉用量比例變化趨勢圖。

江西亞東五六線設計時加大了分解爐通風面積,低氮燃燒煤粉比例可以進行優化上調,通過不斷嘗試調整降低窯頭煤粉用量,適當增加低氮燃燒煤粉比例到63.9%,在不噴氨水的條件下基本達成窯尾NOX小于400mg/Nm3目標。

四、低氮煤粉燃燒系統+低氨脫硝復合技術達成超低排放NOX控制目標:

⎝⎛im电竞⎞⎠江西亞東五六線將預熱器的煤粉全部噴入低氮燃燒點進行脫硝,在不噴入氨水的條件下窯尾NOX排放約在350m/Nm3,將SNCR系統氨水用量逐漸加大,窯尾NOX呈現下降趨勢。當SNCR氨水噴量在600-700L/H時,窯尾NOX穩定在80-95mg/Nm3。系統運轉穩定,經測試對熟料產量和品質沒有負面影響。在不需改造設備的條件下,達成超低排放折算控制目標,噸熟料脫硝氨水費用約1.6元/噸。

⎝⎛im电竞⎞⎠圖3.超低排放NOX控制測試曲線

五、其他生產線超低排放控制改造措施:

⎝⎛im电竞⎞⎠江西亞東其他生產線也是采用KHD低氮煤粉燃燒系統,但與五六線存在差異。主要是低氮煤粉燃燒系統沒有單獨計量稱,需進行改造。擬計劃每條生產線投資368萬元進行煤粉單獨計量系統改造,改造完成后進行優化操作,通過提高低氮煤粉脫硝效率,少量噴入SNCR系統氨水,達成超低排放NOX小于100mg/Nm3目標。

六、超低排放脫硫技術研究:

江西亞東石灰石SO3含量在0.40~0.50%,窯尾SO2排放濃度約1100mg/Nm3,目前采用氨水+熟石灰脫硫,勉強控制在窯尾SO2在180mg/Nm3(2018年執行國標要求小于200mg/Nm3),采用氨水脫硫受限于氨逃逸指標氨水用量小,需用大量熟石灰進行脫硫。熟石灰加入后引起熟料KH值變化,對于熟料燒成及穩定有負面影響。同時每年購買熟石灰費用高,隨著環保日趨嚴格,生產熟石灰的廠家面臨停產整頓,熟石灰供應也日趨緊張。

2019年江西省實行特別排放政策,要求窯尾SO2排放小于100mg/Nm3,未來可能實行超低排放標準。現有氨水+熟石灰脫硫技術難以滿足超低排放要求。針對國內出現的多中脫硫技術江西亞東組織技術人員進行對比分析,具體見下表:

1.方案一和方案三原理相同,均存在成本高及脫硫劑保供問題。

⎝⎛im电竞⎞⎠2.方案二屬于成熟的脫硫工藝,可以達成超低排放目標,運行成本比較低,但一次性投資費用大。

3.方案四運行成本低,屬于新的脫硫技術,目前在國內尚無成熟業績,但隨著技術進步,此項技術可能會在水泥業廣泛應用。

4.江西亞東石灰石硫含量高,窯尾SO2排放濃度在1000-1300mg/Nm3,要達成超低排放標準需采用石灰石-石膏法進行脫硫。

5.對于窯尾SO2排放本體值不高的企業可以采用方案一、二、四進行脫硫,或者可以進行組合式脫硫方式降低成本,確保達成窯尾SO2超低排放目標。

七、總結:

⎝⎛im电竞⎞⎠亞泥中國在污染物排放控制方面投入人力和物力積極進行研究探索,始終將環保作為企業的重大責任,在環保治理方面投入巨資,確保各項污染物排放遠低于排放標準。亞泥中國在超低排放脫硝脫硫方面取得技術成果及經驗也積極向水泥同業進行介紹,為提升水泥行業環保技術水平貢獻力量。


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