《水泥烧成系统脱硝技术控制规范》.doc

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1、 水泥烧成系统脱硝技术控制规范 编 制 说 明 中国中材国际工程股份有限公司 合肥水泥研究设计院 2014 年 7 月 水泥烧成系统脱硝技术控制规范编制说明 一、 前言 随着我国社会经济的快速稳定发展，大气污染物排放量不断增加，由此引发了一系列的环境问题。 “十二五规划纲要 ”明确提出了推进火电、钢铁、有色、化工、建材等行业的 SO 和 NO 的治理工作。建材行业是其中重点治理的行业之一。 2x 水泥工业作为建材工业的主要力量，产量由 2000 年的 5.97 亿吨，到 2005 年增加为 10.6 亿吨， 2010 年水泥产能为 18.68 亿吨。对应的 NO排放量分别为 77 万吨、 13

2、6x 万吨、 200 万吨。 2013 年全国熟料产量为 13.6 亿吨、水泥产量为 24.1 亿吨，同比增长 9.6%。水泥行业是全国高能耗重污染行业，对环境的压力日趋增大。经初步估算，颗粒物排放占全国排放总量的2030%， SO 排放占全国排放总量的 56%， NO 排放占 2x 全国排放总量的1015%。 国家发 改委数据显示：截止 2010 年底，国内新型干法水泥生产线已达 1300 多条。 4000t/d、 5000t/d 规模水泥线占 60%左右，总计 800 多条。2009 年，中国建材研究总院和合肥水泥研究设计院共同对我国代表性的1500t/d 规模以上的 9 条新型干法水泥窑

3、进行了 NO 测试，检测结果表明：5000t/d、 2500t/d 和 1500t/d 窑的 NO 排放分别 xx333 平均为： 600mg/Nm、1100mg/Nm 和 1600mg/Nm，全国新型干法水泥窑氮氧化物排 3 放量加权平均值约为 800mg/Nm。 十二五期间， NO 被纳 入控制目标，各类政策法规及控制标准相继出台： x 1) 国务院关于印发 “十二五 ”节能减排综合性工作方案的通知（国发 2011 26 号）： “推动燃煤电厂、水泥等行业脱硝，氮氧化物削减 358 万吨 ”； “新型干法水泥窑实施低氮燃烧，配套建设脱硝设施 ”。 2) 国务院关于印发国家环境保护 “十二五

4、 ”规划的通知（国发 2011 42 号）： 联防联控重点区域，实施大气污染物特别排放限值； 对水泥等行业 SO、NO2x 和 PM 进行控制，新型干法水泥窑进行低氮燃烧改造，新建水泥线安装效率大于 60%脱硝设施 。 3) 国务院关于印发节能减排 “十二五 ”规划的通知（国发 2012 40 号）： 2015 年水泥行业 NO 排放量控制在 150 万吨； 推广大型新型干法水泥线，普及纯 x 1 低温余热发电； 水泥行业新型干法窑实施降氮脱硝，新建改扩建水泥线脱硝效率大于60%。 4) 重点区域大气污染防治 “十二五 ”规划（环发 2012 130 号）。水泥行业属于污染控制重点，建设、淘汰

5、落后、 NO 治理、粉尘治理等有明确要求 。 x5) GB 4915-2013水泥工业大气污染物排放标准、 GB 30485-2013水泥窑协同处置固体废物污染控制标准等标准已于2013 年 12 月 16 日由环保部批准，其中新建企业自 2014 年 3 月 1 日起、现有企业自 2015 年 7月 1 日起开始实施。新标准对环保指标的控制较严，且比多数发达国家要严格。其中 NO 的指标要求为 400mg/Nm，重 x 点地区为 320mg/Nm，这势必对水泥行业的带来一定压力。 国内各省市在 “十二五 ”期间也对其辖区内的水泥企业提出了 NOx 减排政策和要求，详见表 1。 表 1 各地

6、NO 减排政策 x 序号 省 /市 执行范围 执行标准 技术路径 最 后期限 3 1 270mg/Nm 北京市 所有水泥窑 “十二五 ”末 3 2 500mg/Nm 河北省 所有水泥窑 “十二五 ”末 低氮燃烧 + 所有现役新型干法窑 2014 年 6 月 脱硝设备 3 山西省 4000t/d 以上熟料线 脱硝效率 60% 脱硝设备 2013 年底 2000t/d 及以上新型干法水脱硝效率 30% 低氮燃烧 2012 年底 泥生产线 4 陕西省 2500t/d 以上新型干法水泥低氮燃烧脱硝效率 60% 2013 年底 +SNCR 生产线 3 5 150mg/Nm 杭州市 所有水泥窑 2013

7、年底 现有 2000t/d 及以上新型干 SNCR 脱硝效率 40% “十二五 ”末 法水泥生产线 6 四川省 低氮燃烧新建、改扩建项目 脱硝效率 70% “十二五 ”末 +SNCR 所有现役 2000t/d 新型线 脱硝效率 30% 低氮燃烧 2013 年底 7 湖南省 低氮燃烧 4000t/d以上熟料线 脱硝效率 60% 2013 年底 +SNCR 新建新型干法水泥项目 脱硝效率 60% 8 福建省 4000t/d 以上新型干法水泥脱硝效率 60% 2012 年底 2 生产线 2000 4000t/d（含 2000t/d） 脱硝效率 50% 2013 年底 新型干法水泥生产线 2000t/

8、d 以下新型干法水泥 脱硝效率 30% 2013 年底 生产线 3 9 530mg/Nm 广东省 所有水泥窑 绝大多数新型干法水泥生产企业，不设置脱硝系统，很难达到这一标准，因此，采用合适的脱硝减排技术满足国家污染物减排的政策要求和法规规定已成为水泥工业氮氧化物减排技术快速发展的要务。 二、 任务来源和工作简况 2013 年 12 月 31 日，工业 和信息化部办公厅关于印发 2013 年第四批行业标准制修订计划的通知（工信厅科 2013217号文），下达了（ 2013-2042T-JC）水泥工厂脱硝技术规范节能领域行业标准项目。 2014 年 2 月 28 日，中国建材联合会标准质量部在北京

9、组织召开了水泥工厂脱硝技术规范行业标准编制工作启动会，中国建筑材料联合会标准质量部、中国中材国际工程股份有限公司、合肥水泥研究设计院、中材装备集团、中材国际环境工程（北京）有限公司、山东天璨环保科技有限公司、江苏科行集团、广东南大环保有限公司等单位参加了会议。因该项目与住 建部下达的国家标准计划重复，会议重点讨论标准名称的调整、标准范围，成立标准编制工作组，工作分工、时间节点的安排等。会后经专家协商一致，标准名称改为水泥烧成系统脱硝技术控制规范；调整负责起草单位为：中国中材国际工程股份有限公司和合肥水泥研究设计院。 经过 4 个月的努力，标准工作组查阅了大量的技术资料和相关国家标准，并结合多年

10、来对水泥工厂脱硝系统设计、施工、安装、调试与验收及运行等方面的工作经验，起草小组于 2014 年 7 月提出了本标准的工作组讨论稿。 2014 年 7 月 18 日，由中国建筑材料联合会在南京组织召开了该 标准的第二次工作研讨会，中材装备集团有限公司、中材国际环境工程（北京）有限公司、山东天璨环保科技有限公司、中国建筑材料科学研究总院、北京建筑材料科学研究总院、葛洲坝集团水泥有限公司等多家相关单位的专家提出了大量宝贵的意见。起草小组根据研讨 3 会会议纪要的修改意见，对工作组讨论稿的相应条款进行了修改、细化、删节、补充 和论证，于 2014 年 8 月中旬完成了征求意见稿，并以书面文稿和电子邮

11、件两种形式发送至相关企业及相关部门的专家。 本标准适用于各级政府建筑材料行业主管部门、各级环保部门、各 设计单位和水泥熟料生产企业对脱硝系统的设计、运行、维护等工作。 三、 标准 名称更改说明 2014 年，中华人民共和国住房与城乡建设部下达了水泥工厂脱硝技术规范的标准任务（住房与城乡建设部原行业标准计划为 “水泥工厂脱硝设计规范 ”）。 该任务的名称范围与本标准一致，为避免标准间的重复，本标准将定位为脱硝技术的控制规范。同时，为突出标准的适用性，且水泥企业生产线的 NO 仅在水泥烧成 x 系统内产生和排放。起草组将标准名称改为水泥烧成系统脱硝技术控制规范。 四、 标准选用技术范围的说明 现阶

12、段，应用于水泥窑炉NO 排 放控制的技术有低氮燃烧器、空气分级燃烧技术、 x 燃料分级燃烧技术、添加矿化剂、选择性非催化还原 SNCR 法和选择性催化还原法 SCR。 本标准重点考虑到脱硝技术的经济性、适用性和可操作性，且有利于推广无二次污染、成本低、但操作水平要求高的脱硝控制技术。本标准的脱硝技术控制要求主要针对窑头低氮燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧和 SNCR 等四种方法（ SCR 技术在国内水泥行业尚无实例，无法验证）。 五、 标准主要技术内容说明 5.1 水泥厂 NO 产生环节分析 x目前国内水泥生产工艺主要有立窑和新型干法窑，由于立窑生产工艺 存在着能耗高、污染大、水泥质量不稳定等

13、缺点，国家已逐步淘汰立窑并向新型干法窑转变，通过近几年的发展，新型干法窑所占比例越来越大。新型干法窑的烧成工艺决定了其氮 4 氧化物的排放量比立窑高，新型干法窑吨熟料的氮氧化物排放量约为立窑的 3 倍。 新型干法水泥生产过程中产生的氮氧化物，主要来自回转窑和分解炉，回转窑内主要是煅烧时物料熔融和矿物重结晶过程，物料温度必须超过 1400 ，通常水泥窑主燃烧器形成的火焰温度 1800 2200 ，在如此高温下，窑内气流中的氧气和氮气会反应生成氮氧化物，通常称之 为热力型 NO。在水泥生产过程中，大约 60%的煤粉进入分 x 解炉，炉内温度一般在 850 1000之间，在此温度下，基本可以不考虑热

14、力型 NOx 的形成，但是煤粉自身的氮元素会与氧气发生反应，产生氮氧化物，通常称之为燃料型 NO。 x 水泥窑炉内产生的 NO 主要有三种方式：高温下 N 与 O 反应生成的热力型 NO、燃 x22x 料中固定氮生成的燃料型 NO、低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的瞬时型 NO。 xx 简而言之，热力型 NO 是由于燃烧反应的高温使得空气中的 N 与 O 直接反应而生 x22 成的；燃料型 NO 就是由燃料中的 N 与氧气反应而产生的 ；瞬时型 NO 是由于在燃烧反 xx 应的过程中空气中的N 与燃料燃烧过程中的部分中间产物反应而产生的。新型干法水 2 泥窑产生 NO 的最主要来源：窑头和窑

15、尾的燃料型 NO 以及回转窑内的热力型 NO。 xxx5.2 NO 控制技术 x 5.2.1 降低烧成温度法 水泥回转窑主燃烧器的火焰温度约为 1600 1900 ，有的预分解窑系统甚至超过 2000 ，气流在 1200 以上的停留时间一般超过 3s，高温对减少热力型 NO 不利，温 x 度每上升 100 ， NO 的生成量就会成倍增长。通过调整配料、加矿化剂等方法可以降 x 低烧成温度从而减少热力型 NO 的形成，但烧成温度降低会影响水泥熟料的质量，况 x 且加入矿化剂等添加剂也会带来新的污染源，目前该技术很少使用。 5.2.2 电子束辐照法 电子束辐照法属于干式氨法脱硝技术，但此处的氨不是

16、还原剂，而是中和剂。工作原理：在电子束辐照下，烟气中的 O 和 HO 被高能电子激发产生强氧化性的活性基 22 团 O、 OH 和 HO，烟气中的 NO 被这些活性基团迅速氧化成 NO，并与 HO 作用生 2x22成 HNO。 HNO 与喷入烟气中的氨发生化学反应，产生硝铵，从而达到脱除 NO 的目 33x 的。这种技术预期脱 NO 效果较好，但设备费用和电耗可能比较 高，目前还处于实验 x 研究阶段有待进一步完善。 5 5.2.3 窑头低氮燃烧 低氮燃烧脱硝技术是指在传统的燃烧器基础上，通过合理减小燃烧器的一次风量，加大轴流风和旋流风的喷射风速，增加喷射风的推力，提升对高温燃烧烟气回流的卷吸

17、作用，调整燃烧火焰周边气氛燃烧的条件，实现对火焰燃烧温度的稳定化控制，通过降低火焰峰值温度的方式实现抑制热力氮氧化物的形成。 5.2.4 空气分级燃烧 空气分级燃烧脱硝技术是指在分解炉内合理布置三次风的供给，在分解炉内通过调整燃烧温度和燃烧气氛，在中下部的主燃烧区域形成碳氢基团、 CO、 HCN、 CN、 NHi 等还原气氛，还原回转窑内形成的氮氧化物，剩余的三次风在分解炉的上部区域加入保证尾煤的燃尽。 采用空气分级燃烧脱硝技术，燃烧速度的调整主要通过控制生料进入分解炉不同层段的分料比例和三次风进入分解炉的上下比例，燃烧速度的快慢直接影响燃烧气氛的建立，对分料阀的调整及操作优化是影响三次风分风

18、效果的关键因素，因此对分解炉内燃料的燃烧组织和上下风量的调整优化必须进行合理的设计，才能保证在分解炉内形成预期的还原气氛控制要求。 5.2.5 燃料分级燃烧脱硝技 术 分级燃烧脱硝的基本原理是在烟室和分解炉之间建立还原燃烧区，将原分解炉用煤的一部分均布到该区域内，使其缺氧燃烧以便产生 CO、CH、 H、 HCN 和固定碳 42 等还原剂。这些还原剂与窑尾烟气中的 NO 发生反应，将 NO 还原成 N 等无污染 xx2 的惰性气体，此外，煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型 NO 产生，从而实现 x 水泥生产过程中的 NO 减排。 x 利用原有分解炉煤粉输送系统，在分解炉送煤管路上，增设几台煤

19、粉分配器，将原先进分解炉锥部的两股煤粉分成若干股，新增的若干股煤进入烟室，利用烟室部位低氧含量和气流 温度高的工艺特点，让煤粉在烟室内缺氧燃烧产生还原气氛，并在高温条件下与来自窑内的氮氧化物发生反应，将氮氧化物转变成无污染的N。 2 当新增煤粉进入烟室时，会引起烟室区域局部高温，导致烟室结皮加重，为了解决该问题，在煤粉管路上设置煤粉增速器，让煤粉尽可能的不贴壁，不让煤粉在烟室壁上 “糊墙 ”。同时，新增下料管，即将 C4 级筒下料管进行分料处理，在烟室上新增 6 一个下料点，利用生料分解吸热的特点，降低烟室局部高温。 影响分级燃烧脱硝技术应用及效果的主要因素包括：原、燃料的情况、煤粉在脱硝区的

20、停留 时间、窑尾的氧含量等。 1）严格控制原、燃料中的有害成分，生料中的 Cl0.015%(0.02%max) ，KO+NaO1%， 22 硫碱比： 0.6 1，燃料中的S1.5%，以保证系统的正常稳定； 2）相对无烟煤而言，烟煤的高挥发份能够提供更多还原物质，提高分级燃烧的脱硝效率； 3）窑尾烟室的氧含量越低（ O1.2%），分级燃烧的脱硝效果越好。在窑尾氧含量高于 23.5%时，分级燃烧难以取得明显效果； 4）脱硝区空间需能够满足煤粉及还原性物质还原 NO 所需的停留时间。 x 5.2.6 SNCR 脱硝技术 SNCR 是选择性非催化还原，其原理是：将还原剂（氨水或尿素水溶液）通过雾化喷射

21、系统直接喷入分解炉合适温度区域，雾化后的氨与 NO（ NO、 NO 等混合物） 2x 进行选择性非催化还原反应，将 NO 转化成无污染的N 和水。还原剂喷入点位置至 2x 关重要，当喷入点温度过低，脱硝效率会降低；当喷入点温度过高，还原剂会直接被氧化成 N 和NO，最终也会影响脱硝效率。因此为了提高脱硝反应效率并实现 NH 的 23 逃逸最小化，喷入点的选择需满足以下条件： 温度窗口合适； 喷入的位置没有火焰； 还原剂在反应区域有足够的停留时间。 当使用氨 水时，雾化后的氨水直接与 NO（ NO、 NO 等混合物）进行选择性非催 2x 化还原反应，将 NO 转化成 N；当使用尿素时，尿素首先在

22、分解炉内分解成氨气（ NH）， 23x 然后再与 NO 进行选择性非催化还原反应，将 NO 转化成 N。 x2x氨与氮氧化物的反应为放热反应，这部分热量与氨水和水的蒸发所吸收热量基本相当，还原剂的喷入对分解炉热工特性及整个烧成系统热耗的影响甚微。 六、 主要试验（或验证）情况分析 6.1 窑头低氮燃烧 低 NO 燃烧器主要通过调整控制火焰燃烧峰值区域的燃料燃烧温度和燃烧的助燃 x 气氛调整达到降 低氮氧化物排放。因此，不同燃烧特性的燃料（煤种、细度、水分等） 7 其脱硝效果存在着较大的差异性，在操作上燃烧器调整旋流风与轴流风分配关系、冷却机操作习惯、窑炉两列的配风平衡等工艺操作条件对燃烧器脱硝

23、效果的好坏有着直接的影响。因此低 NO 燃烧器的应用往往体现更多的是现场的操作优化调整上。 xSteinbi 在五个回转窑上安装了 Pyro-Jet 低氮燃烧器，脱硝效率 15%30%； Pillard 在四个回转窑上安装了 Rotaflam 低氮燃烧器，脱硝效率 23%47%；河南某水泥公司采用 WSDD 低氮 燃烧器，脱硝效率 15%20%；浙江某水泥厂采用 DJGX 低氮燃烧器，脱硝效率 20%30%。 6.2 空气分级燃烧 空气分级燃烧脱硝技术主要是在分解炉内建设还原区脱除回转窑内产生的 NO。根 x 据表 2 统计，现有水泥生产线的空气分级燃烧脱硝效率为 10%25%。 表 2 空气

24、分级燃烧脱硝效率 脱硝效率 脱硝前 NO平均排放浓度脱硝后 NO 平均排放浓度 xx 厂家 33mg/Nm,10%O mg/Nm,10%O % 22 740 595 19.6 金隅涉县 798 640 19.8 大连水泥 693 603 13.0 金隅太行 880 640 27.3 中材湘潭 6.3 燃料分级燃烧 燃料分级燃烧脱硝技术是指将燃料在烟室至分解炉底部不同位置送入通过不完全燃烧形成还原性气氛，在高温和还原性气氛条件下，利用还原燃烧产生的碳氢基团、 CO、 HCN、 CN、NH 等活性基团还原回转窑内形成的氮氧化物，剩余的燃料和三次风 i 在主燃烧区域的末端加入保证燃料的燃尽。 燃料分

25、级燃烧脱硝技术通过燃烧配风及燃烧温度调整保证在主还原区内形成有效的还原气氛，因此生料分料阀的调整及助燃风的喷射控制是影响脱硝效率的主要因素。在还原气 氛的控制上，应综合还原区结皮生长特点及燃烧高温区域的形成情况进行合理的调整控制。 燃料分级燃烧脱硝技术也是脱除回转窑内产生的 NO。根据表 3 统计，现有水泥生 x 产线的燃料分级燃烧脱硝效率为15%30%。 表 3 燃料分级燃烧脱硝效率 8 脱硝效率 脱硝前 NO 平均排放浓度 脱硝后 NO 平均排放浓度 xx 厂家 33mg/Nm,10%O mg/Nm,10%O % 22 660 461 30.2 东方希望 573 456 20.4 江苏金峰 911 751 17.6 华润封开 460 310 32.6 贵州黔桂 6.4 SNCR 脱硝技术 SNCR 脱硝技术在没有催化剂的条件下，利用还原剂在一定的温度窗口有选择性地与烟气中的氮氧化物发生化学反应，生成氮气和水，从