巴太斌:水泥行业深度脱硝技术探讨

2023-09-20 15:08:12

“双碳”目标不仅解决生态环保问题,还将引发一场广泛而深刻的经济社会变革。对广大工业企业而言,碳减排不作为,将会面临生存与发展的问题。

一、背景

2020年9月,国家主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣示,中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。上述碳达峰与碳中和的时间表,也被称为“双碳”目标。

“双碳”目标不仅解决生态环保问题,还将引发一场广泛而深刻的经济社会变革。对广大工业企业而言,碳减排不作为,将会面临生存与发展的问题。

今年上半年经济复苏不如预期,表现在消费和投资信心不足,水泥行业的表现也不乐观,上半年水泥量价齐跌,河南水泥每吨售价降到了200多元,顾不住成本,被迫停产,这种严峻局面可能还会持续一段时间。最近国家出台了一些刺激政策,水泥行情也出现了一些积极变化。

专家分析,中国经济增长模式,正在从“资本”驱动,切换成“运营”驱动。水泥企业正在从粗放型向精细化转型。

经济学家把中国经济发展的过去分为上半场,现在和未来分为下半场。

上半场是从1979—2019的这40年,解决的核心问题就是资本的原始积累,通过资本的累积完成了两大任务:一是用钢筋混泥土做好基建和房子,二是推出各种互联网平台提高社会运转效率。在这个过程中,水泥行业从技术落后到世界领先,从供不应求到产能过剩,经历了立窑、湿法窑、干法中空窑、预热器窑和窑外分解窑的发展历程,这40年,水泥技术迅速发展,水泥行业受益匪浅。

下半场是在运营的推动下,要再通过“产品+内容”的填充,让社会有血有肉,只有运营好产品和内容才有出路!运营就是靠管理,使资源发挥出更大的社会价值。在中国经济转型的过程中,我们水泥企业要转变理念,跟上变化,适应新的发展需要,做好运营才有出路。

二、水泥企业环保现状

水泥厂的污染治理分析:水泥厂的主要污染源有粉尘、烟气、噪声、废水,经过环保治理,都能做到达标排放,因为不达标排放就被停产,还要被罚款,有强制性。水泥行业面临的主要问题是如何制定污染物排放指标,如何选择性价比高、成本低的污染治理技术。欧洲烟尘控制是差异化的,敏感地区要求严,不敏感地区要求松。

我们水泥人通过不懈的努力,在水泥厂烟尘治理方面已经走在世界前列,为了进一步提高环保治理水平,投入也越来越大,超低排放,给企业带来了很大的压力。

排放指标是不是越低越好?要从两方面考虑:一是从环保角度考虑,要根据环境容量的要求,不同地区环境容量要求不同,排放指标也应该是差异化的。二是从经济角度考虑,污染物排放量越低,资本投入就越大,增加企业负担和运行

成本,尤其是水泥市场不景气的情况下,企业压力会更大。

因此,从科学发展的角度来看,水泥厂烟尘排放量不一定是越低越好。

脱硝势在必行

按照每吨熟料NOx排放系数为1.5-1.8kg/t熟料计算,2020年我国水泥工业窑炉排放的NOx约为200万吨(水泥熟料按13亿吨计算),这两年因为熟料产量的下降,NOx排放量也在下降,由于水泥行业排放总量占全国NOx总排放量的10%左右,是继火电发电厂和机动车之后的第三大排放源,因此,国家环保部门对水泥企业特别关注。政府出台了相关政策和标准,明确要求NOx排放不达标不得生产。

水泥企业在氮氧化物减排方面急需寻找最佳出路。

三、脱硝技术

目前,国内水泥工业执行的排放标准为《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)。一些地方还出台了更为严格的排放标准,例如,浙江省出台的地方标准要求到2025年水泥窑炉烟气NOx排放浓度小于50mg/Nm3,西南四省今年也出台了相关政策。此外,环保部颁发的《重污染天气重点行业应急减排技术指南》要求,水泥生产采用SNCR、SCR等技术达到超低排放,并且吨水泥熟料氨水消耗量小于4kg,才能认定为A级企业,享受相应的政策支持,补贴50%,奖励运行。

我国水泥工业从2007年开始全面推广非催化还原技术(SNCR)。SNCR技术的脱硝效率可高达60%(目前有新的突破)。这期间还有研究采用分级燃烧技术,即通过控制分解炉及管道中的燃烧工况,用不完全燃烧产生的CO来还原NOx,分级燃烧技术的脱硝效率约为30%(目前有新的突破,可实现超低排放)。在煤电行业通过应用催化还原技术(SCR)实现超低排放之后,该技术(SCR)引入水泥行业经过适应期逐步成熟,但是,成本的增加、危废的产生仍是企业需要考虑的问题。

近几年,在分级燃烧技术的基础上,通过研究分解炉及管道中的燃烧工况,考虑尽量减少还原剂的使用和危废的产生,推出了管道还原法深度脱硝技术,经过南方水泥等多家水泥企业应用,取得了良好效果,达到超低排放指标。

管道还原法脱硝原理

窑内产生的NOx还原方式:将分解炉的用煤分出一部分,喷入管道炉预热区,使其在管道炉缺氧的工况下形成“厌氧燃烧”,产生的CO与窑尾烟气中的NOx发生反应,将窑内产生的NOx还原成对环境无害的N2气体。

管道脱硝技术是在脱硝炉内制造CO,调整脱硝炉喂料量,平衡还原区温度,充分还原来自于窑内的NOx,实现NOx的超低排放。

主要化学反应如下:

CO2+C→2CO

2CO+2NO→N2+2CO2

4CO+2NO2→N2+4CO2

管道脱硝工艺流程示意图

管道脱硝工艺

管道脱硝炉是一个单独的在线炉体,炉内产生的CO与窑内的NOx在脱硝炉内充分反应还原后,再进入分解炉,即CO和NOx完全在管道脱硝炉里反应还原。进入脱硝炉的物料,在平衡温度的同时,提前进行分解,对提高分解率和系统能力有一定帮助。

还原窑内产生的NOx是在管道脱硝炉内完成,管道脱硝炉布置在窑尾烟室与分解炉之间,脱硝炉的进气口与窑尾烟室顶部缩口连接,脱硝炉的排气口与分解炉底部连接。脱硝炉的进气端开设煤粉入口和物料入口,脱硝炉内喂煤是为了产生CO,脱硝炉内喂料是为了平衡炉内温度。

应用管道脱硝技术的效益:

1.管道脱硝技术符合国家相关政策,实现NOx排放浓度<50mg/Nm3(10%O2)的先进指标,运行中没有危废的产生,能有效改善当地环境质量,使水泥生产企业能够成为环境友好型企业,环保效益十分明显。

2.管道脱硝是利用工艺技术解决生产中产生NOx的问题,实现NOx超低排放,是一种新的技术突破,为水泥企业实现超低排放提供了新的技术途径,具有良好的社会效益。

3.应用管道脱硝技术,熟料产量有所提高,煤耗、电耗有所降低,无新增运行成本,经济效益显著。

管道脱硝应用案例:

南方水泥与郑州奥通合作,在南方水泥的江山、山亚、三明及常德等四家公司进行了管道脱硝技术改造,均取得了较好的效果。

国检集团技术调研小组于2023年5月对江山、山亚、三明三家公司技改情况进行调研,结论是管道脱硝技术运行稳定,操作简易,达到了超低排放指标,与同类技术对比,投资合理,运行成本较低,无催化剂消耗。

四、总结

国内外水泥届的科研工作者和企业家们,近几年投入很多精力和财力,研发了SNCR、SCR、LCR、分级燃烧、管道还原炉等多种脱硝手段,从改变运行条件到改进燃烧方法,形成多项专利成果,为环保事业做出了很大贡献。

在水泥生产过程中寻找脱硝办法,不用外来的催化剂、还原剂,也就是说在工艺过程中脱硝,实现超低排放,这是水泥人一直探讨的问题。据了解国内有一些公司在这方面的研究成果已经在多家水泥厂应用,实测数据表明,脱硝炉出口氮氧化物浓度可以达到零!实现深度脱硝之目的,运行成本低,没有二次污染,可高比例使用替代燃料。目前,由于漏风问题,有一小部分含有NOx的气体没有进入还原炉,而进入了分解炉、C5,还有分解炉内燃烧产生的NO,结合现有的SNCR系统,可实现NOx <50 mg/Nm³超低排放。

管道脱硝炉具有运行成本低、无二次污染、可超低排放、节能降碳等优点,是一个发展方向,为了实现无氨脱硝,还需要进一步研究:

1.研究如何减少锁风阀的漏风,使出烟室含NOx气体不进入或少进入分解炉、C5,尽量全部经过管道炉脱硝;

2.加强分解炉CO燃烧机理研究,避免在分解炉中产生热力型氮氧化物;

3.加强燃料型氮氧化物产生机理研究,优化操作,探讨将尾煤全部喂入脱氮炉,避免或减少分解炉燃料型氮氧化物产生。

五、目标

加强科研投入,攻克技术难题,不断完善脱硝方法,最终实现无氨脱硝、超低排放!

All can be viewed after purchase
Correlation

“双碳”目标不仅解决生态环保问题,还将引发一场广泛而深刻的经济社会变革。对广大工业企业而言,碳减排不作为,将会面临生存与发展的问题。

2023-09-20 15:08:12