專利名稱：選擇性非催化還原來減少水泥回轉(zhuǎn)窯爐的NOx排放物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用氣相選擇性非催化還原方法減少由回轉(zhuǎn)窯爐生產(chǎn)水泥過程中產(chǎn)生NOx所引起的環(huán)境危害。
水泥是在回轉(zhuǎn)窯爐中加熱石灰、粘土或其它適宜硅材料至非常高的溫度下(如1700℃或更高)形成的。因?yàn)檫@樣高的溫度有利于氧及氮的自由基和其化學(xué)結(jié)合物如氮氧化物的形成，使這種條件下的氮氧化物NOx形成大大增加。此外，所用燃料中通常還含有燃燒時(shí)可轉(zhuǎn)化為NOx的化學(xué)結(jié)合氮。
對許多類型燃燒器已經(jīng)研究開發(fā)了若干頗具經(jīng)濟(jì)意義的措施，通過加入諸如尿素或氨等適宜化學(xué)品能減少NOx。這些物質(zhì)與NOx發(fā)生反應(yīng)，使之轉(zhuǎn)化為能通過煙氣排放或被消除的其它化合物。這些物質(zhì)的選擇性氣相反應(yīng)---包括催化的(SCR)和非催化的(SNCR)兩種---都是有利于能夠有效完成的。SNCR方法是特別有效和經(jīng)濟(jì)的。催化方法在許多裝置中不太理想，因?yàn)樗鼈冃枰罅吭O(shè)備投資，巨大安裝空間，而且還易于受到污染。
但是，也有一些實(shí)際考慮致使SNCR方法在水泥窯爐中實(shí)施困難。SNCR方法能使NOx確實(shí)減少不少的結(jié)果，是一件頗有工程和化學(xué)意義的事情。這些反應(yīng)是在氣相中進(jìn)行(在比較窄的溫度范圍內(nèi)，如900至1000℃)，一般涉及NOx含量在百萬分之200至1500份體積(ppmv)，尿素或氨用量為化學(xué)計(jì)量的1至3倍。SNCR反應(yīng)要求達(dá)到反應(yīng)材料高度稀釋、溫度正常和處于氣相。
水泥回轉(zhuǎn)窯爐的結(jié)構(gòu)使其難以將活性化學(xué)品引入至適宜的溫度區(qū)域。這些設(shè)備包括一臺回轉(zhuǎn)的筒形室，而且室長可達(dá)一百余米，甚至更長。其一端為冷端，溫度遠(yuǎn)低于SNCR過程的適宜溫度。其另一端是通過燃燒器將火焰引至室內(nèi)中央進(jìn)行加熱，又不致過熱。NOx還原的正常溫度是在離冷端如5至50米遠(yuǎn)的一個(gè)區(qū)域。
如果NOx還原劑是在回轉(zhuǎn)窯爐中溫度過高的區(qū)域與灼熱氣體接觸，則NOx還原劑會被氧化，形成另外的NOx。這種技術(shù)已采用水溶液，使之有水供給，以保護(hù)高溫區(qū)域的試劑。在窯爐溫度太低的地方，NOx還原劑又會被浪費(fèi)，并會有氨釋放至大氣，也不可能在有效進(jìn)行SNCR反應(yīng)所須溫度下將NOx還原劑水溶液加至水泥回轉(zhuǎn)窯中。
目前需求的是一種能夠經(jīng)濟(jì)利用SNCR反應(yīng)降低水泥窯爐的NOx排放物的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在選擇性非催化還原工藝SNCR中最重要的是例如由Lyon在US3,900,554和由Arand等人US4,208,386及4,325,924中所公開的那些方法。簡單地說，這些專利公開的方法是可以將氨(Lyon)及尿素(Arand等)注入灼熱燃燒氣體中，使之選擇性地與NOx反應(yīng)，將其還原為雙原子氮和水。
在US3,900,554中Lyon描述的SNCR方法在于降低燃?xì)庵幸谎趸?NO)的濃度。Lyon披露的是，將氨或某些氨的前體或其水溶液注入到富氧廢氣中，使之與一氧化氮在870至1100℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生選擇性的反應(yīng)。在這種方法中，重要之處在于，燃燒物流在與氣態(tài)氨接觸時(shí)其溫度要處于一個(gè)狹窄“溫度帶”的范圍內(nèi)。此溫度帶的極限值在添加某些物質(zhì)時(shí)可能會減小。在燃燒物流中氨的分布對于達(dá)到最大利用氨和減少在所定義溫度帶內(nèi)的NOx量是很重要的。無效利用將會增加成本和引起與氨釋放有關(guān)的麻煩。
Arand等人在USP4,208,386中披露，尿素可以單獨(dú)地加入或可作為溶液加入至溫度范圍在700至1100℃的富氧物流中。盡管在此溫度帶內(nèi)未與NOx反應(yīng)的尿素經(jīng)加熱在化學(xué)上是被轉(zhuǎn)化了，但在冷卻過程中，有一些又會導(dǎo)致氨生成。此專利申請人指出，加入的尿素可以為研磨很細(xì)的粉末，熔融條件下的微細(xì)噴霧，或溶液型的微細(xì)噴霧。此外，這里如果采用Lyon的方法，分布對于選擇性還原過程也是至關(guān)重要的，因此，對于操作經(jīng)濟(jì)性及避免那些與氨釋放和污染相關(guān)的問題也是重要的。
同樣，在US4,325,924中，Arand等人介紹了一種在富燃料物流中利用尿素的方法。這種類型的物流通過分段燃燒產(chǎn)生，它會導(dǎo)致高含碳污染物的生成。此外，對分布要求也很關(guān)鍵的，如果分布欠佳，也會造成不利經(jīng)濟(jì)影響和環(huán)境問題。
在此SNCR領(lǐng)域內(nèi)一些其它專利披露中，對前述方法提出過一些改進(jìn)。例如，在USP4,992,249中Bowers披露，如果采用尿素水溶液，其霧滴尺寸增加和尿素濃度下降，都可在高于Arand所披露的溫度下在富氧物流中得到較好結(jié)果。但是，采用水溶液，甚至控制其濃度和霧滴尺寸，在回轉(zhuǎn)爐中也不能達(dá)到在此種優(yōu)選溫度范圍內(nèi)的分布。
Bowers在專利USP4,719,092對其進(jìn)一步的改進(jìn)中披露，可將另外一種材料，含氧烴，與尿素水溶液一起注入，以減少流出物中殘余濃度的氨。不論添加這種材料怎樣，用水溶液在適宜溫度范圍內(nèi)進(jìn)行分布是沒有用的。
DeVita在采用噴注法達(dá)到較好分布的嘗試中描述了一種在USP4,915,036中使用的噴注器，此種噴注器噴注流體分布較好，同時(shí)又使堵塞危險(xiǎn)減至最小。該說明書披露了要求化學(xué)品分布良好和使之改善與鍋爐幾何形狀相適應(yīng)。同樣，在美國專利USP4,842,834中Burton描述了一種噴注器，它對許多燃燒器結(jié)構(gòu)都有效，也能通過使用改善霧滴尺寸分布的水溶液添加劑而獲得好處。而且，在WO91/17814中，Chawla等人介紹了一種噴嘴，能夠向流出物噴注空氣與含水還原NOx組合物的兩相混合物，達(dá)到聲速，改善顆粒尺寸分布，從而取得使用這類添加劑的效果。因此，這種技術(shù)顯然是指引人們采用溶液，并指出控制濃度和液滴尺寸將是大多數(shù)分布問題答案。不不幸地是，這些技術(shù)并沒有解決水泥回轉(zhuǎn)窯爐所提出的問題。
不論上述進(jìn)展如何，對水泥回轉(zhuǎn)窯爐采用SNCR已不可能做到經(jīng)濟(jì)有效。這種技術(shù)一般采納引入NOx還原劑水溶液的方法，而引入這些還原劑又不具足夠的動(dòng)量防止其在達(dá)到最佳溫度帶之前蒸發(fā)和使之在此進(jìn)行充分反應(yīng)。
發(fā)明詳述本發(fā)明目的之一在于，提供一種能夠有效利用SNCR過程減少來自水泥回轉(zhuǎn)窯爐的NOx排放物的方法。
本發(fā)明另一目的在于，提供一種能夠有效用于減少來自水泥回轉(zhuǎn)窯爐的NOx排放物的設(shè)備。
本發(fā)明還有一目的在于，提供一種具有減少的NOx排放物在回轉(zhuǎn)窯爐中生產(chǎn)水泥熔渣的方法。
這些或其它目的均可通過本發(fā)明所提供的改良方法和設(shè)備加以實(shí)現(xiàn)。
一方面，本發(fā)明方法包括設(shè)置一種噴注器，它能夠以至少每秒25米，如大于120m/s，優(yōu)選大于50m/s，快速驅(qū)動(dòng)尿素顆粒，穿過灼熱燃燒氣體，進(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯爐的開口端；驅(qū)動(dòng)尿素顆粒進(jìn)入燃燒氣體，并使之具有足夠夾帶進(jìn)入爐內(nèi)溫度900至1100℃范圍區(qū)域的動(dòng)量。
另一方面，本發(fā)明提供一種改善在回轉(zhuǎn)窯爐中生產(chǎn)水泥熔渣的方法，使之具有一個(gè)高位的冷端，和一個(gè)溫度被加熱至少約1500℃的灼熱端，包括將包括碳酸鈣和含硅成分的水泥預(yù)混合物加至該窯爐冷端；設(shè)置一個(gè)噴注器，能夠驅(qū)動(dòng)尿素顆粒達(dá)到速度至少25m/s，如120m/s以上，穿過燃燒氣體，進(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯爐的冷端；驅(qū)動(dòng)尿素顆粒進(jìn)入具有足夠動(dòng)量燃燒氣體，夾帶它們進(jìn)入溫度達(dá)到900至1100℃范圍的區(qū)域；和收集此窯爐的水泥熔渣。
本發(fā)明另有一點(diǎn)在于，提供一種設(shè)備，用以通過選擇性非催化還原反應(yīng)來降低水泥回轉(zhuǎn)窯爐的NOx排放量，包括一個(gè)噴注器，安置在水泥回轉(zhuǎn)窯爐的開口端，它能夠驅(qū)動(dòng)尿素顆粒達(dá)到速度至少25m/s，如120m/s以上，穿過灼熱燃燒氣體；將尿素傳送到所述噴注器的設(shè)備；以及將空氣輸送至所述噴注器的設(shè)備，使之具有足夠動(dòng)量驅(qū)動(dòng)尿素顆粒進(jìn)入爐內(nèi)燃燒氣體，夾帶它們進(jìn)入爐內(nèi)溫度在900至100℃范圍的區(qū)域。
附圖簡述結(jié)合下述附圖，參閱本發(fā)明詳細(xì)說明書，會對本發(fā)明理解得更好，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)也會顯得更為清楚

圖1為縮小繪制的流程示意圖，說明按照本發(fā)明應(yīng)用向水泥窯爐噴注尿素的SNCR過程實(shí)施本發(fā)明的最佳模式圖1示意表明按照本發(fā)明改良水泥回轉(zhuǎn)窯爐10。料斗12裝載可為任何適宜配方的水泥預(yù)混合物。一般水泥形成是加熱石灰質(zhì)與含粘土材料的充分混合物至呈現(xiàn)開始熔融狀態(tài)，并研磨所得熔渣的過程。可供用于此目的的材料范圍甚寬，如石灰石、燒石灰、白堊土、水泥灰?guī)r、泥灰石、粘土、頁巖、板石巖、高爐渣、及其它等。對所取材料的比例加以適當(dāng)調(diào)節(jié)，得出一種包括約75％的碳酸鈣和約25％的硅鋁酸鹽和游離硅的混合物。對于本發(fā)明，準(zhǔn)確的配方并不重要。重要的是，由于水泥預(yù)混合物必須加熱至極高溫度，才能達(dá)到已知技術(shù)形成高質(zhì)量水泥所必須的初始熔融態(tài)，它所產(chǎn)生的NOx濃度很高。
此窯爐10為一在其近中部以虛線表示的縮小繪制說明圖。此種類型的窯爐一般包括鋼制轉(zhuǎn)筒，內(nèi)襯耐火磚或其它適宜耐火材料，并沿略水平傾斜的軸向緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)(如每小時(shí)20轉(zhuǎn)至100轉(zhuǎn)或以上)。一般這些窯爐直徑為2至4米，長約60至150米。產(chǎn)量每天可達(dá)約500至4000噸，視其規(guī)模尺寸而定。
將水泥預(yù)混合物從料斗12加入至窯爐10上端14。此預(yù)混合物可按照已知技術(shù)，或按濕法，或按干法加以制備，但是干法通常用于原材料之一或二者均為堅(jiān)硬性的場合。在長窯爐中加工濕混料更為經(jīng)濟(jì)。本說明書說明濕混料在長100米和直徑4米的窯爐內(nèi)的處理過程。在處理時(shí)，此混料經(jīng)混合及攪拌向下穿過窯爐至底部，即圖左側(cè)的出口端16。從窯爐卸出后，熔渣送經(jīng)一臺冷卻器(未標(biāo)出)，在冷卻器中通過直接或間接熱交換，將其熱量傳遞給進(jìn)入的燃燒空氣。
燃燒器18設(shè)置于出口端16處，供給過程所需熱量。在出口端16引入預(yù)熱的燃燒空氣。一般，采用粉化煙煤作為燃料，但任何其它適宜于本目的的燃料亦可使用。在燃燒器18附近的火焰區(qū)溫度將達(dá)到1700℃，而在高(冷)端14的溫度一般在700℃以下。因此，火焰端16的溫度將高于尿素進(jìn)行SNCR過程所需溫度，而在冷端14其溫度會過低。由于高燃燒溫度，NOx基線濃度一般會在100ppm以上，而更一般為在約300至約1000ppm范圍。本發(fā)明使NOx明顯減少，一般減少50至75％。
本發(fā)明通過使用尿素顆粒和能在噴嘴處產(chǎn)生大于10m/s以上速度(噴嘴速度)的有效噴注設(shè)備，使尿素SNCR過程能夠應(yīng)用。噴注器20安放于該爐冷端14，接近其頂部。噴注器20正對該窯爐回轉(zhuǎn)軸心線上。優(yōu)選地是，因?yàn)樵诟G爐中氣流總體線速在約3至約25m/s范圍，如一般至少6至10m/s范圍，以及因?yàn)閷γ苛ｎw粒都存在有巨大阻力(drag)，所以希望顆粒的噴嘴速度應(yīng)當(dāng)至少25m/s，如至少100m/s，以確保它們在落入窯爐內(nèi)加熱水泥預(yù)混合物回轉(zhuǎn)床層之前在窯爐中達(dá)到5至25米的距離。對于噴嘴速度未設(shè)上限，但它一般大于125m/s，低于200m/s。用于噴砂類型的噴注器，一般為縮-擴(kuò)型兩相流噴嘴，可以得到成功應(yīng)用。這種類型的一種專用噴嘴為5×60mm的鋼制噴頭，是由一家德國公司BHS GmbH制造的，它可以噴射尿素顆粒初速度達(dá)到110至140m/s，每小時(shí)流率達(dá)到約20至約80公斤。
將尿素顆粒通過一個(gè)適宜的儲罐設(shè)備如料斗22輸送至噴注器。尿素顆粒為工業(yè)品級，一般尺寸以重量平均直徑計(jì)為約1至約2mm，如1.1至1.8mm。重要的是，低于此粒度范圍極小值50％以上的顆粒，按重量計(jì)，不多于10％。此外，優(yōu)選地是，顆粒屬于涂覆型的。一般，它們都是用那些諸如具有表面活性劑性質(zhì)的聚合物和諸如商業(yè)用于涂覆尿素顆粒(或同等物)的加以涂覆。在這方面已知有用于防結(jié)塊的涂覆。此種顆粒還可根據(jù)需要含有其它材料，而且若有利的話，還可含有水泥預(yù)混合物和研磨后的熔渣，其數(shù)量約5至50％(重)。凡要包含這些粒料之場合，這些顆粒優(yōu)選的是經(jīng)過研磨和重量平均粒度在約100至約400目范圍的，并且是在形成顆粒之前可與熔融態(tài)尿素?fù)胶弦黄鸬?。采用這種類型的顆粒好處在于可保持噴嘴清潔，即起沖刷作用，并可增加顆粒密度，從而增加被噴注顆粒的動(dòng)量和穿透作用。
用泵或壓縮機(jī)24提供壓縮空氣，并經(jīng)適宜管道如26和28輸送。管道29提供適當(dāng)壓力和速率的空氣將顆粒從料斗22輸送至噴注器20，而管道26提供適當(dāng)壓力和速率的空氣至噴注器的噴嘴，產(chǎn)生對顆粒的驅(qū)動(dòng)力。希望能夠驅(qū)動(dòng)顆粒使之至少75％落至軸向延伸3至5米的區(qū)域內(nèi)。優(yōu)選地是，至少90％的顆粒落在這個(gè)軸向區(qū)域。
優(yōu)選地是，在此窯爐內(nèi)要安裝測定各點(diǎn)溫度的設(shè)備。例如，可采用各個(gè)傳感器31和32，也可以是熱電偶，產(chǎn)生該位置的溫度信號。再使所發(fā)信號傳送至適宜接受器或其它能夠?qū)Υ诵盘柵c參比信號進(jìn)行比較的器件中，并發(fā)出應(yīng)答比較的控制信號。然后再將此控制信號傳送至操作閥或其它計(jì)量器件上，控制通過管線26和28壓縮空氣和尿素顆粒源20的進(jìn)料。
將尿素加至窯爐中，其速率要提供足量的與NOx結(jié)合的尿素氮，其摩爾比(在此領(lǐng)域已知為正?；瘜W(xué)計(jì)量比，NSR)在約0.5∶1至約3∶1，典型為約1∶1至約2∶1。尿素用量不應(yīng)導(dǎo)致氨逸出值超過25ppm，優(yōu)選地是，保持氨逸出值低于約15ppm。當(dāng)采用在窯爐下游靜電沉淀劑時(shí)，希望有一定程度的氨逸出，因?yàn)榘笨捎兄谶@些器件的操作。
水泥熔渣在此窯爐下端14處加以回收，按上述方法經(jīng)冷卻，和按已知方法研磨成適宜粒度。
下述實(shí)施例是用以進(jìn)一步闡述和說明本發(fā)明及其某些優(yōu)點(diǎn)，并非用來作為任何限制。除非專門加以說明外，所有百分?jǐn)?shù)均為重量百分?jǐn)?shù)。
實(shí)施例在沖擊式粉磨機(jī)中，將一種包括75％燒石灰和25％板巖土的水泥預(yù)混合物進(jìn)行研磨，使之成為研磨細(xì)粉預(yù)混物。再將此研磨預(yù)混合物以每小時(shí)40噸的速率輸送至回轉(zhuǎn)爐中。此窯爐為回轉(zhuǎn)型，長約100米，直徑4米。它圍繞傾斜軸線旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速每小時(shí)約100轉(zhuǎn)，從高端至低端垂直落差約5米。供給預(yù)熱至約500℃的空氣，使粉化煤通過在下端設(shè)有的2通道型燃燒筒進(jìn)行燃燒，空氣過剩量約13％(重)。用煤速率足以給每噸水泥預(yù)混合物提供3000英熱單位(BTU)的熱量。水泥預(yù)混合物是與燃燒器中產(chǎn)生的灼熱燃?xì)饽嫦蛄鲃?dòng)而被加熱的。
燃燒器下游口的燃?xì)鉁囟葹榧s1700℃。NOx基線測定為550ppm。窯爐冷端為輸入水泥預(yù)混合物端，其溫度約700至800℃。窯爐內(nèi)溫度約為1000℃的位置是在約10至20米的區(qū)域。
將尿素輸送至文丘里型噴注器，推動(dòng)初速達(dá)約140m/s。尿素顆粒的重量平均直徑為約1.6mm，并為球形，并用一種表面活性劑加以涂覆。尿素顆粒約90％飛越爐內(nèi)降落在距離噴注點(diǎn)約9至12米位置的區(qū)域。以正常化學(xué)計(jì)量比(NSR)約1供應(yīng)尿素。Nox濃度下降75％，達(dá)到140ppm。
以上描述是為了告訴本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)施本發(fā)明，而未試圖涉及所有對于本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本說明之后都會明白的各種明顯改進(jìn)和變異。但是，需要指出的是，所有這些明顯改進(jìn)和變異都應(yīng)被包括在由以下權(quán)利要求所定義的本發(fā)明范圍之內(nèi)。這些權(quán)利要求指的是包括以任何順序有效滿足本發(fā)明目的的權(quán)利要求分項(xiàng)和步驟，除本文特別指出相反之處外。
權(quán)利要求
1.一種采用選擇性非催化還原減少水泥回轉(zhuǎn)窯爐NOx排放物的方法，包括設(shè)置一種噴注器，能夠驅(qū)動(dòng)尿素顆粒，達(dá)到至少25m/s的速度，使之穿越灼熱燃?xì)?，進(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯爐開口端；和驅(qū)動(dòng)尿素顆粒進(jìn)入燃?xì)?，具有足夠?dòng)量，使之夾帶進(jìn)入窯爐內(nèi)溫度在900至1100℃的區(qū)域。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中基線NOx濃度在約300至1000ppm范圍，并且被減少至少50％。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中驅(qū)動(dòng)顆粒使之至少75％的顆粒落在回轉(zhuǎn)窯爐軸向延伸3至5米的區(qū)域內(nèi)。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其中顆粒的噴嘴速度至少25m/s，以保證顆粒在降落至爐內(nèi)受熱水泥預(yù)混合物的回轉(zhuǎn)床層之前達(dá)到爐內(nèi)5至25米的距離。
5.一種回轉(zhuǎn)窯爐生產(chǎn)水泥熔渣的改良方法，具有高位的冷端和加熱至少至約1700℃溫度的熱端，包括將包括碳酸鈣和含硅成分的水泥預(yù)混合物加入至該窯爐的冷端；設(shè)置一種噴注器，能夠驅(qū)動(dòng)尿素顆粒，達(dá)到至少100m/s的速度，使之穿過灼熱燃?xì)猓M(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯爐的冷端；驅(qū)動(dòng)尿素顆粒進(jìn)入燃?xì)?，具有足夠夾帶它們進(jìn)入爐內(nèi)溫度900至1100℃范圍的區(qū)域的動(dòng)量；和收集窯爐內(nèi)的水泥熔渣。
6.一種通過選擇性非催化還原方法減少水泥回轉(zhuǎn)窯爐的NOx排放物的設(shè)備，包括一種噴注器，能夠驅(qū)動(dòng)尿素顆粒達(dá)到速度至少100m/s，穿過灼熱燃?xì)猓怪M(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯爐的開口端；將尿素輸送至所述噴注器的設(shè)備；和將空氣輸送至所述噴注器，驅(qū)動(dòng)尿素顆粒進(jìn)入窯爐內(nèi)的燃?xì)庵?，使之具有足夠夾帶它們進(jìn)入爐內(nèi)溫度在900至1100℃范圍區(qū)域的動(dòng)量。
全文摘要
使尿素噴注SNCR方法能夠用于生產(chǎn)水泥熔渣的回轉(zhuǎn)窯爐型。回轉(zhuǎn)窯爐(10)為沿傾斜軸線旋轉(zhuǎn)的長圓筒型,將水泥預(yù)混合物加入至燃燒器的一端(14),而在另一端有一燃燒器(18)進(jìn)行加熱。此窯爐的幾何形狀和各端溫度使得可以引入不夠有效或完全不實(shí)用的氨和尿素溶液?？梢灾辽?5m/s,一般在100m/s以上的初速度噴注尿素顆粒,使之進(jìn)入其內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)存在適宜用于NO
文檔編號C04B7/00GK1219890SQ97194875
公開日1999年6月16日 申請日期1997年4月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月10日
發(fā)明者蘇雷·馮哈珀 申請人:環(huán)技公司