曹国川：台泥降低NOx的实践
水泥 中国水泥网信息中心 2011-10-14
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台泥英德公司总工程师曹国川
9月27日上午9时，由重庆、福建、广东、广西、贵州、湖南、海南、江西、四川、云南、香港、澳门等省区市水泥（建材）协会主办，重庆市水泥协会承办，三一重工股份有限公司协办的第三届泛珠三角水泥峰会在重庆隆重举行。台泥英德公司总工程师曹国川就降低NOx排放的实践发表了专题发言。
一、前言
原料、燃料及烧成温度等都会影响氮氧化物的产生。
燃烧温度与NO、NO2生成量之关系
二、基本技术理念
目前De NOx技术约有下列三种：
（1）采用低NOx燃烧器。
改善一次空气流量或速度来减少NOx产生，但因熟料制程1450℃的高温需求及燃烧控制的难度，影响其效果。
（2）采用多段燃烧。
富燃缺氧方式来减少NOx产生，虽欧洲有部份较成功的实例，减量效率小于30%。
（3）采用选择性非触媒还原法（SNCR）（如<图二>）为目前稳定有效降低氮氧化物产生的方法。
图二
三、选择性非触媒还原法SNCR（Selective Non - Catalytic Reduction ）
（一）、SNCR技术概念
1、利用氨（NH3）或尿素（CO（NH2）2）以降低氮氧化物含量。
2、无论氨或尿素，皆必须喷射于900 ~ 1100 ℃之温度范围内，才能使氮氧化物还原为氮气（N2），因氨之搬运及储存有溢漏至大气之虞，选用以尿素为反应药剂为较佳之选择。
（二）、在不添加催化剂之情形下将氨（NH3）或尿素（CO（NH2）2）等还原剂均匀喷入炉内使废气中之氮氧化物还原成氮气后再排入大气。
SNCR主要反应如下：
2NO + CO（NH2）2十（1/2）02 →2N2十2H20+C02
（三）、影响SNCR效率之因素：
（1）反应温度范围：宜在900°~1100℃之间。
（2）滞留时间较长，反应效果较佳。
（3）NOx浓度水平：浓度越低，碰撞反应之机率则越低。
（四）、使用尿素作药剂可能产生之负面影响如下
（1）增加C02及CO气体排放，其中C02属于温室效应气体，CO则是另一空气污染源。
（2）尿素储存容易结硬。
（3）熟料生产成本的增加。[Page]
四、SNCR设备作业流程
各种不同还原剂使用特性比较
五、安装施工及试车
1、在安装上述设备之前：
供货商即来厂收集温度分布数据，并利用停窑期间，进行喷嘴位置挖孔安装喷嘴管座，为因应找寻最佳喷药点，故而多挖数孔备用，工程费用约48万元人民币，工期约1.5个月。
2、PH喷嘴安装示意图如<图三>所示。
图三
3、试车重点：
在对预先备妥之各喷嘴位置试喷药剂，调整稀释水 量、压缩空气量，以寻找最佳参数及喷药点。
SNCR添加尿素测试结果
六、SNCR设备对烧成系统影响
根据我司安装施工至试车后之经验，预期SNCR将对旋窑烧成系统各方面产生下述影响：
1、每公斤熟料增加耗热13.88Kcal。
2、每吨熟料生产成本将增加人民币4.5元 。
3、结皮增加：喷入之水与料粒混合，影响旋窑通风，降低产量。
4、增加人力：喷嘴长期受高温烧烤易损坏。
5、操作控制与氢氧化物排放监测联机，会有6~8分钟延迟，其反应时间较长，线性控制不易，影响减量效率。
6、尿素溶液泡制时，溶解加热时间过长，即每泡一桶尿素溶液并加温至40℃须10小时
7、人工维修费用增加：须增加人工清理喷嘴及泡制尿素溶液。尿素溶液及稀释水会增加排风机负荷，影响旋窑产能。
七、建议
SNCR方法于实际运用时尚有许多缺失尚待克服，除投资费用高外，操作成本亦十分庞大。因此，我司提出两点建议如下：
1、对使用之尿素，参照农用肥料予以补助，以降低业者庞大负担。
2、对设有氮氧化物减量设备之厂商征收空污费时应予优惠，以鼓励业者投资设备之意愿。[Page]
附：强化悬浮预热机（RSP）加热过程中控制低量氮氧化物（NOx）排放标准
附列草图“降低NOx 排放之基本概念（General Concept For Low NOx RSP）” 对本工程提供较广泛系统设计的细节。
通常在RSP 系统中，SC炉的过量空气大约是正常及稳定操作状态下流率的1. 05 至1. 10之间。
此外，在进入MC 炉入口之前，供应SC 炉的燃料有80% 会燃烧，剩余20% 尚未燃烧的燃料在denoxation Zone（在MC 炉较低的地方）将产生CO 或没燃烧的炭来协助控制NOx 排放标准。然而在实际操作方面，必须在过量空气及产生CO 之间取得平衡，以兔影响热消耗。
另一方面因为存在生料或燃料中的挥发性物质，在高CO 的状态下可能发生挥发性物质液化後沉积的现象，换句话说，想像不到的结皮麻烦在预热带（precalcination Zone） 也可能发生。
为了保持加热过程（pyroprocess） 的安定性能，本方案采用了下列特殊的系统设计
1. 为了控制耗热并使未燃烧的碳或CO 达到完全燃烧
2. 为了达到降低NOx 排放，除了对锻烧炉的正常入料点（feed point）之外，生料进料被分成三部分进料，A 点、B 点、C 点。
3. 在RSP. 窑系统减少NOx 排放的效果
4. 按步骤操作。调整到 NOx 排放标准以下
依照下表叙述，按标准步骤操作，调整来获得需要NOx排放标准
（a）标准步骤1
藉由调整从熟料冷却机来三次空气量，将在锻烧炉（S.C）的空气比设定在0.95，但是须特别注意02/CO 的值，特别是在最底阶旋风筒的出口处。
（b）标准步骤2
藉由调整从熟料冷却机来三次空气量，设定在锻烧炉（S.C）的空气比为0.90。
然而，在锻烧炉（S.C）内燃料的燃烧空气应该不是很充足，为了使燃料在上昇管中充分燃烧，大约10% 的三次空气，经由分枝导管送至混烧室（MC）的出口处（如图B点）。这样的安排应该可以提供在S.C 炉内燃烧所需的0. 95~ 1. 00 空气比。[Page]
（c）标准步骤3
继续步骤1 和2 之前调整的叙述，将藉由调节由燃料冷却机来的三次空气量在锻烧炉（S.C）的空气比率设定为0.80~0.85 。
在这个情形亦是一样，即在S.C 炉内的燃料空气应该不是很充足为了使得在上昇导管的燃料可以完成燃烧，大约20% 的三次空气被送至混烧室的出口处，这样的安排应该可以提供S.C炉内燃烧所须的0.95~1.00的空气比。
然而，如果这里有一项限制的话，即在锻烧炉（S.C）为了减少空气因素，而增加SC 炉出口的未燃烧燃料量，甚至是在此种空气比之下，这就可能导致结皮问题，生料的脱酸率不足情形。
为了避免上述问题，部份生料（20~30%）从4级旋风筒分料至锻烧炉（S.C）出口导管（如图A 点）和设置在混烧室出口特别的分枝导管上（如图B点）。
（d）标准步骤4
假如操作调节上从步骤1~3 无法达成需要NOx 排放标准低於350ppm，那麽藉由调整从熟料冷却机来的三次空气量。
将锻烧炉（SC）空气比设定为0.75 ，为了使燃料在锻烧炉（S.C）完全燃烧，将大约30% 的三次空气分送至混烧室的出口，这样的安排将可以提供在锻烧炉（S.C）内燃烧所须0. 95~ 1. 00 的总空气比。
然而，如果这里有一项限制的话，即在锻烧炉（s.C）内为减少空气因素，因而增加SC 炉出口未燃烧燃料量，这将导致结皮问题或是生料脱酸率不足情形。
为了避免上述问题，部份生料（20~30%）从4级旋风筒转移至锻烧炉（S.C）出口导管（如图A 点）和设置在混烧室出口特别的分枝导管（如图B点）
（e）标准步骤5
标准步骤的调整提供较多的弹性来获得比350ppm 更低的排放量，在这项调整步骤，我们建议将3 级旋风筒来的生料分料10%到入SB 炉的三次空气管上（如图C 点）。
并且在锻烧炉（S.C）保持空气比0.75，以及将30%从熟料冷却机来的三次空气通至燃烧室（MC）的出口处。
此外，从4 级旋风筒分料至锻烧炉（S.C）出口（如图A 点）及至特殊分枝导管（如图B点），其分料比率均与标准步骤4 相同。
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