分解炉氮氧化物转化机理及控制技术研究

【摘要】：随着我国水泥工业的迅猛发展,我国水泥生产排放的氮氧化物总量,已是居火力发电、汽车尾气之后的第三大氮氧化物排放大户,影响大气环境质量,成为水泥工业可持续发展的制约因素。随着水泥工业NOX排放标准的提高,开发水泥窑低NOX煅烧技术及装备已成为必然趋势。分解炉是实施水泥窑低NOX煅烧技术的关键设备。通过组织燃烧,分解炉既可以满足生料分解的正常需要,又能达到降低NOX排放的目的。 本论文总结和分析了水泥工业中NOX生成与控制的国内外研究进展,国外对水泥窑NOX技术研究以应用技术居多,机理研究开展较少。国内在该方面的研究基本是空白。基于此,本论文以分解炉NOX转化机理及分级燃烧技术为重点,采用理论分析、模拟实验、现场测试以及计算机模拟优化相结合的方法对分解炉开展了深入系统的研究,提出了适用于水泥窑的有效降低氮氧化物的分级燃烧技术,为国内水泥工业降低氮氧化物的技术应用奠定了基础,填补了国内这一研究领域的空白。本论文主要从以下几个方面进行了创新性的研究: 选用水泥厂常用的煤种为对象,采用工业分析仪、元素分析仪、比表面积仪以及X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对各煤阶的煤粉及煤焦进行了物理化学特性分析。研究表明不同煤种所具有的挥发分、含碳量、元素组成、含氮官能团各不相同。 利用模拟分解炉试验台对水泥工业常用的煤粉、煤焦进行了NO转化特性研究,揭示了煤种、气氛、温度、生料对焦炭氮的生成及还原特性的影响规律。研究表明不同煤种、温度、氧气浓度对NO的生成特性及还原特性都有明显的影响;生料不仅对NO生成有显著的催化作用,对NO的还原反应也有明显的催化作用。 针对水泥生产过程特点开展分级燃烧的试验研究,在一维煤粉炉研究了水泥厂使用的烟煤、低挥发分煤、褐煤在分级燃烧条件下还原区的温度、空气过剩系数、停留时间、生料加入量对NOX排放量的影响。研究发现在分级燃烧条件下,还原区的温度、空气过剩系数、停留时间、生料加入量对NOX排放量都有显著的影响。并且不同的煤种和各因素的影响规律各不相同。 在一维炉确定分级燃烧规律的基础上,在日产300吨水泥熟料的工业试验台上进 WP=5 行参数优选及工控参数的确定,经试验表明在还原区燃料加入比例为50%,分风比例为30%时,氮氧化物的生成量比不分级低30%。 在实验研究的基础上,通过对分解炉内流动、传热、燃烧、分解、NOX生成模型的分析研究,在国内外首次建立了分解炉污染物生成与控制的计算机数值三维模拟分析系统。并对实际运行的分解炉进行数值模拟计算,所得结果与现场实测结果吻合,确保了数值模拟研究系统的可靠性。利用该系统进行生产指标的敏感性分析,考察产量、窑尾烟气温度、窑尾烟气NOX含量、三次风温等最直接的生产参数对NOX排放量的影响,研究表明三次风的温度对NOx的排放最敏感,三次风温度的提高将显著增加NOx的排放量。 利用分解炉污染物生成控制的计算机数值三维模拟系统,进行燃料和空风分级的模拟优化研究,以水泥生产的控制指标:燃尽率、分解率及环境指标NOX的排放量为目标值,考察独立分风、独立分料、分风分料同步实施的效果。研究表明独立分料与独立分风时,NOX生成量比没有分级时分别下降31.1%和31.58%;分风分料联合实施,NOX生成量下降33.3%。 通过试验台试验和数值模拟研究,并从水泥工艺生产实用性考虑,提出了具有自主知识产权的降低水泥生产过程NOX排放的分解炉分级燃烧技术,为实际示范性工程建设奠定了基础。