PYROCLON® REDOX技术在降低氮氧化物排放方面取得的进展

一、前言

近年来PYROCLON® REDOX技术对氮氧化物的减排做出了巨大的推动作用。在欧洲及以外的其他国家和地区如美国等对环境保护有严格规定也实行了更加严格的环保指标。环境保护的控制指标对减排方法和技术路线提出了新的要求。当前，回转窑低氮燃烧器、分解炉分级燃烧、以及SCR/SNCR系统是实现达标排放指标的主流技术路线。但是，现阶段没有哪一项技术方案能够单独达到当前超低排放标准的要求。虽然利用前文提到的技术组合可以满足排放的要求，但是技术组合会提升系统的复杂性和增加系统的运行成本。

为了实现减排指标，德国洪堡（KHD）研发了安装在烟室和分解炉中间的管道脱硝炉—PYROCLON® REDOX。该系统采用模块化设计，可以对现有的水泥生产线进行改造也可以安装在新建的生产线上，最早的两个PYROCLON® REDOX系统在中国落地的项目是对现有水泥窑生产线进行的脱硝技术改造。经过一年的运行，已经稳定实现了氮氧化物的超低排放的减排目标。由于中国对水泥生产线的排放实行当前最严格的监管和控制，在这两个项目上均采用了PYROCLON® REDOX、和SNCR系统的组合，实现了氮氧化物（NO_x）＜50mg/Nm³排放量，氨逃逸（NH₃）＜8 mg/Nm³的排放要求，在中国氨逃逸量也被严格的限制，以上指标也包含了来自原料的部分氨。

PYROCLON® REDOX管道脱硝炉降低了氮氧化物（NO_x）的排放和氨逃逸，通过对改造后烧成系统各项运行指标的标定和对比，增加洪堡管道脱硝后与改造前的指标对比：熟料的产量、电耗、煤耗没有负面影响，同时工厂SNCR系统氨水消耗量有适度的降低。

本文对PYROCLON® REDOX系统研发、项目调试、以及在中国的两个项目的连续运行进行详细的说明。

二、实验室实验结果

在产品的早期研发阶段，德国洪堡（KHD）的研发部门对现有文献中已知的不同参数烟气的反应及相互影响进行了验证和量化。首先，在公司的技术中心安装了一个实验装置，该系统能够对氮氧化物在可控条件下的减排进行详细的试验。在大量的实验中，对不同浓度CO、CO₂、水分和窑内灰尘对脱硝效率的影响进行了测试得出如此结论：

🔷 烟气中CO的浓度对SNCR还原NO_x脱硝效率具有最强的影响。在CO含量较高的条件下，观察到NO_x转化为N₂的转化率显著降低；

🔷 烟气中CO₂的浓度同样也对NO还原为N₂转化率有重要的影响。在CO含量一定的条件下，CO₂的含量降低将使NO还原为N₂的转化率升高；

🔷 窑烟气中的粉尘对CO还原NO_x的转化具有催化作用，一定量的窑粉尘对CO有效去除NO_x至关重要；

🔷 水分对CO还原NO_x的还原转化具有抑制作用。

三、管道脱硝炉的设计

从实验研究和实际应用NO_x还原为N₂转化率基于下列结论：NO_x减排最佳的条件是烟气中含有较高的CO、较低CO₂以及足够窑粉灰作为反应催化剂。由于回转窑废气中的水含量主要来自回转窑燃料的类型和成分，因此，水分的抑制作用会稍微降低NO的转化率。

为了实现NO_x最佳的减排目标，PYROCLON® REDOX的设计采用了布多阿尔反应。窑尾烟气中缺乏氧气，烟气中的CO₂和燃料在PYROCLON® REDOX脱硝炉中发生气化反应以及煤粉的不完全燃烧反应，产生了大量的CO。该反应是吸热反应，温度可以通过调节烟气氧气含量、管道气化脱硝炉的生料量、以及燃料煤粉量进行控制。另一方面，喂入脱硝炉汽化区的生料必须控制在最小值，仅维持产生足够的催化作用即可。在这一阶段最重要的是避免由过多的生料分解产生的大量CO₂会抑制脱硝反应。

在经过管道脱硝还原反应环节后，回转窑产生的热力型NO_x将有效降低。此外，由于缺乏氧气，管道气化炉和分解炉内燃料型NO_x的产生也会被抑制，在分解炉内产生NO_x也会相应减少。

图1. PYROCLON® REDOX脱硝原理

在PYROCLON® REDOX管道脱硝炉出口（如图1所示），烟气将与三次风混合，此处烟气中的CO会与三次风中的氧气进行放热反应形成CO₂，反应放出的热量将被生料在分解炉的分解吸热反应所吸收。

图2. PYROCLON® REDOX脱硝炉

四、管道脱硝的优点

德国洪堡（KHD）最先进的低氮分解炉具有一次性减少NO_x排放的能力。然而，它也有一个缺点：为了保证稳定的熟料产量，需要在NO_x转化率和其他工艺操作参数之间折中，这种妥协自然限制了低氮分解炉NO_x减排潜力。

PYROCLON® REDOX系统将传统的分解炉分成了两个部分：一部分只针对NO_x的脱硝，另一部分作为分解炉使用。因此，前文提到的不足被PYROCLON® REDOX系统所克服，并且可以显著提高NO_x脱硝的转化率。

从管道脱硝炉产品研发的最初期， PYROCLON® REDOX系统就被设计成独立模块，对现有窑系统进行技术改造，无需担心工厂原始设备供应商（如图2所示）之间的接口和匹配问题，管道脱硝炉能够与工厂现有烧成系统有机结合在一起。PYROCLON® REDOX系统能够根据各个工厂不同的产能和要求提供不同型号，能为不同燃料提供充足的燃烧停留时间。因此，PYROCLON® REDOX系统可以使用所有典型的燃料，包括具备一定挥发分和热值的各种替代燃料。

不同于传统分解炉，在PYROCLON® REDOX系统中，分解炉与窑尾烟室没有直接连通，因此，在设计时三次风管和PYROCLON® REDOX连接处的设计就至关重要。首先，要保证燃烧的残余煤灰和窑烟粉尘能被稳定地悬浮在分解炉中；其次，为了确保生料不会塌料至分解炉偏心锥的连接部分，通过对PYROCLON® REDOX出口的烟气与三次风进行CFD有限元数值模拟发现，通过对管道脱硝炉与分解炉不会产生涡流。

为了实现理想的设计指标，根据气体和材料流动特性确定最佳的几何布置。因此，我们进行了各种单相和多相CFD分析（见图3所示）。

图3. PYROCLON® REDOX脱硝炉CFD分析

在没有其他现有的减排措施相结合的情况下，为实现PYROCLON® REDOX单设备降低NO_x至200mg/Nm³，对PYROCLON® REDOX的运行条件有以下要求：

🔷 窑尾烟室氧含量：2～5% ；

🔷 PYROCLON® REDOX的燃料占比：60% ～100%之间；

🔷 PYROCLON® REDOX的生料占比：0% ～10%之间。

五、技改案例

目前，水泥生产企业主要关注于对现有生产线的升级改造，PYROCLON® REDOX的第一项目也是对原有的窑窑系统进行NO_x减排改造。

图4. PYROCLON® REDOX案例

天瑞卫辉（左）和天瑞新登（右）

如前所述，中国环保法规允许的排放要求在前几年大幅提升，此举推动了中国水泥制造厂开展技术改造，降低NO_x排放。因此，在2018年，中国天瑞集团决定采用PYROCLON® REDOX技术对现有的两条5000t/d生产线进行升级改造（如图5所示）。

图5. NO_x 不同的脱硝方案以及对应的排放指标

两条生产线现有烧成系统由SINOMA/TCDRI提供。基于PYROCLON® REDOX采用模块设计，使得PYROCLON® REDOX与现有生产设备很容易实现对接。两个项目安装和调试总工期仅7个月。此外，PYROCLON® REDOX的安装工作可以在窑的正常生产期间展开。在很多的升级改造案例中，新设备和原有分解炉系统连接只需要4周。在天瑞公司的两个项目中，PYROCLON® REDOX的最终连接和调试在冬季定期检修停窑期间完成。

六、技改成果

天瑞两个工厂的最终的调试分别于2019年1月和2月完成。由于日益增加的大气污染，河南省进一步提高了对气体排放的要求。两个项目均面临着NO_x ≤50mg /Nm³的排放值，单独的PYROCLON® REDOX或者SNCR系统都无法满足超低排放的等级。为了满足生产许可的排放要求要求，采取PYROCLON® REDOX与现有的SNCR系统相结合运行。

随着PYROCLON® REDOX+SNCR同时运行时实现达标排放，与原来相比，NO_x排放降低了66%，SNCR系统的氨水消耗量降低78%。此外，这两个工厂保持了改造之前的熟料产量，电耗和煤耗基本没有变化。经过第一周连续稳定的运行，卫辉工厂的产量实现小幅提升。

在产品研发阶段进行采用CFD分析，进一步降低了PYROCLON® REDOX流体阻力，减少了由于安装脱硝炉而导致的压损。此外，加装PYROCLON® REDOX增加了分解炉整体的炉容，改善了燃料燃烧条件。

自2019年2月起的连续稳定运行，两个改造项目均被天瑞集团和德国洪堡（KHD）认定成功，满足了当地政府对NO_x ≤50mg /Nm³的排放要求，使其能够在其他厂家因为空气污染而关停的时段保持生产。由于氨水用量的降低，氨逃逸低于8 mg/Nm³达到排放标准。

2019年12月于新登工厂连续生产5天（120小时）内的NO_x和氨逃逸的排放量（详见图7）。在联合操作期间（原料磨开机的情况下），平均NO_x排放值为25 mg /Nm³，平均氨逃逸值约为1mg /Nm³；（原料磨停机的情况下）平均氨逃逸值约为4.5mg /Nm³。

图6. PYROCLON® REDOX系统NO_x / NH₃排放数据

图7. PYROCLON® REDOX系统3D图

七、展望

模块化的设计概念以及与其他NO_x减排技术的结合意味着PYROCLON® REDOX能够提供与SCR系统一样的NO_x超低排放指标，并具有更低的投资和运行成本（如图6所示）。

最早的两个项目都实现了客户的技改目标，天瑞集团的工厂能够持续达到NO_x和氨逃逸排放标准，而且不会对产量、电消、热耗产生负面影响。

天瑞集团和德国洪堡（KHD）共同决定继续对天瑞集团的生产线进行升级，截至2020年，天瑞集团与德国洪堡（KHD）已经签署了5项合同包括对荥阳12000tpd（标杆工厂）的升级改造。荥阳工厂的安装阶段已经收尾，于2020年第一季度进行调试。

中国、韩国、土耳其和印度已经在谈判或建设PYROCLON® REDOX的其他项目。在中国境外完成的下一个项目是在印度新建的熟料生产线，该项目采用一个PYROCLON® REDOX管道脱硝炉，计划于2020年第一季度投产。

作者介绍

Mr. Marc Feiss，自2006年以来一直在德国洪堡（KHD）的工艺技术部门工作，负责热水泥工艺新技术的开发和设计。

Mr. Norbert Streit，在德国洪堡(KHD)工作了近30年，担任工艺创新总监。他主要致力于使用二次燃料、原材料的使用以及节能减排的技术解决方案。