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耐火材料燃氣窯爐的氮氧化物減排技術及方法

燃氣窯爐燃燒系統中,當燃氣和空氣在火焰高溫區相遇時,就會因氮氣和氧氣反應而產生氮氧化物NOx(主要為NO,排放到大氣中就很快被氧化為NO2)。NOx屬有毒氣體,對人類和動植物的危害很大,還會產生毒性很強的光化學煙霧和酸雨,同時破壞臭氧層、加劇溫室效應。工業窯爐的NOx排放過高,是當前環保工作中備受關注的問題。目前,我國總體環保形勢日益嚴峻,各地市、各行業都出臺了更嚴苛的污染物排放標準,例如:河北省2018年9月發布《京津冀及周邊地區2018—2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》,從2018年10月1日開始,2+26城市正式進入秋冬季大氣污染治理攻堅時期;鄭州市制定了“打贏藍天保衛戰三年行動計劃”(2018—2020年),對窯爐氮氧化物排放限值實行超低排放標準,高溫窯爐的氮氧化物排放濃度不超過100mg·m-?,低溫窯爐的不超過50mg·m-?。
燃氣在燃燒過程中形成的氮氧化物主要分為溫度型(或熱力型)NOx、快速型(或瞬時型)NOx和燃料型NOx三種類型。溫度型NOx通常是由于助燃空氣中的N?與燃氣因混合不均勻而在局部高溫區氧化生成的,其形成主要受溫度、含氧量以及煙氣在高溫區停留時間的影響?焖傩蚇Ox是當碳氫燃料燃燒且燃料濃度過大時在反應區快速生成的,燃料揮發物中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基可以和空氣中的氮氣反應生成HCN和N,再進一步與氧氣反應,以極快的速度生成,其形成時間只需要60ms,與溫度的關系不大。燃料型NOx主要是燃料中含氮化合物在燃燒中氧化生成的NOx,而一般燃氣中含氮量非常低,燃料型NOx可不作考慮。對于燃氣窯爐來說,通常以溫度型NOx為主,因燃燒不均勻而產生局部高溫區,特別是在1400℃以上高溫時,很容易形成大量溫度型氮氧化物。
目前控制NOx排放的措施主要分為兩類:一類是低氮氧燃燒技術,即通過運行方式對改進或對燃燒過程進行特殊控制來抑制燃燒時NOx的生成;另一類是煙氣凈化技術,也稱煙氣脫硝技術,包括物理化學吸附法(如SDG,即干法催化吸附)、催化還原法(如SCR、SNCR),將已生成的NOx通過還原劑、催化劑后被還原成N?,從而脫除煙氣中的NOx。相較于煙氣脫硝技術,低氮氧燃燒技術只需一次性的較小投入,具有無額外運行費用,改造占地面積小等優點。
氮氧化物減排技術在火電廠、水泥廠、工業鍋爐等領域相對較成熟,而耐火材料燃氣窯爐的氮氧化物控制與減排目前尚沒有很成熟的適宜方案。耐火材料燃氣窯爐分布眾多,不論是隧道窯還是梭式窯,因為一方面各生產企業條件差異大,耐火材料產品種類、燒成溫度、燒成氣氛、自動控制水平等各不相同;另一方面,窯爐燃燒溫度相對較高,而總煙氣排放量相對不大,煙氣成分波動明顯,煙氣溫度隨是否開展余熱利用也有差異。因此,對于耐火材料燃氣窯爐的氮氧化物減排問題,只有通過具體分析、對癥下藥、標本兼治,才能做到投入小、見效好。
為了積極響應我國“節能減排”基本國策和應對“藍天保衛戰”的具體要求,提高耐火材料生產的關鍵設備———高溫燃氣窯爐燃燒系統的先進性和自動化控制水平,實現高效減排和節能降耗,本工作中通過對實驗室的1m?高溫梭式窯(1800℃)和生產企業的耐火材料燃氣高溫隧道窯的低氮氧燃燒技術與煙氣干法催化吸附的實驗研究,以及對煙氣組成的實測及分析,提出了適合耐火材料燃氣窯爐的氮氧化物減排解決方案。
通過對實驗室和企業燃氣窯爐的低氮氧燃燒技術與煙氣干法催化吸附實驗研究、煙氣成分數據實測及分析,提出了適合耐火材料燃氣窯爐的氮氧化物減排解決方案:
(1)耐火材料燃氣窯爐氮氧化物減排技術應立足于具體情況具體分析、對癥下藥、標本兼治,才能投入小、見效好。
(2)低氮氧燃燒技術是發展方向,亟待研究應用。低NOx全預混高速燃燒器及低氮氧燃燒、濃淡燃燒關鍵技術,可從源頭減少NOx的生成,使燃燒產物噴出速度在100m·s-?以上,能顯著降低高溫燃氣窯爐的NOx排放濃度,實現過程減排(減排量>40%),以減除投資和運行費用較高的煙氣脫硝負擔。
(3)對于燒成溫度在1400℃以下的窯爐,主要采用低氮氧燃燒技術,實現NOx源頭減排達標;對于燒成溫度在1400℃以上的窯爐,采用低氮氧燃燒技術源頭減排后,末端治理再采用無機復合固體吸附劑干法催化吸附技術(吸附效率達70%~90%),可以在相對較低的投入條件下取得理想的減排效果,實現NOx超低排放要求。
 


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