[发明专利]选择性非催化还原来减少水泥回转窑炉的NOx排放物

说明书

技术领域

本发明涉及采用气相选择性非催化还原方法减少由回转窑炉生产水泥过程中产生NO_x所引起的环境危害。

水泥是在回转窑炉中加热石灰、粘土或其它适宜硅材料至非常高的温度下(如1700℃或更高)形成的。因为这样高的温度有利于氧及氮的自由基和其化学结合物如氮氧化物的形成，使这种条件下的氮氧化物NO_x形成大大增加。此外，所用燃料中通常还含有燃烧时可转化为NO_x的化学结合氮。

对许多类型燃烧器已经研究开发了若干颇具经济意义的措施，通过加入诸如尿素或氨等适宜化学品能减少NO_x。这些物质与NO_x发生反应，使之转化为能通过烟气排放或被消除的其它化合物。这些物质的选择性气相反应---包括催化的(SCR)和非催化的(SNCR)两种---都是有利于能够有效完成的。SNCR方法是特别有效和经济的。催化方法在许多装置中不太理想，因为它们需要大量设备投资，巨大安装空间，而且还易于受到污染。

但是，也有一些实际考虑致使SNCR方法在水泥窑炉中实施困难。SNCR方法能使NO_x确实减少不少的结果，是一件颇有工程和化学意义的事情。这些反应是在气相中进行(在比较窄的温度范围内，如900至1000℃)，一般涉及NO_x含量在百万分之200至1500份体积(ppmv)，尿素或氨用量为化学计量的1至3倍。SNCR反应要求达到反应材料高度稀释、温度正常和处于气相。

水泥回转窑炉的结构使其难以将活性化学品引入至适宜的温度区域。这些设备包括一台回转的筒形室，而且室长可达一百余米，甚至更长。其一端为冷端，温度远低于SNCR过程的适宜温度。其另一端是通过燃烧器将火焰引至室内中央进行加热，又不致过热。NO_x还原的正常温度是在离冷端如5至50米远的一个区域。

如果NO_x还原剂是在回转窑炉中温度过高的区域与灼热气体接触，则NO_x还原剂会被氧化，形成另外的NO_x。这种技术已采用水溶液，使之有水供给，以保护高温区域的试剂。在窑炉温度太低的地方，NO_x还原剂又会被浪费，并会有氨释放至大气，也不可能在有效进行SNCR反应所须温度下将NO_x还原剂水溶液加至水泥回转窑中。

目前需求的是一种能够经济利用SNCR反应降低水泥窑炉的NO_x排放物的方法和设备。

背景技术

在选择性非催化还原工艺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中所公开的那些方法。简单地说，这些专利公开的方法是可以将氨(Lyon)及尿素(Arand等)注入灼热燃烧气体中，使之选择性地与NO_x反应，将其还原为双原子氮和水。

在US3,900,554中Lyon描述的SNCR方法在于降低燃气中一氧化氮(NO)的浓度。Lyon披露的是，将氨或某些氨的前体或其水溶液注入到富氧废气中，使之与一氧化氮在870至1100℃的温度范围内发生选择性的反应。在这种方法中，重要之处在于，燃烧物流在与气态氨接触时其温度要处于一个狭窄“温度带”的范围内。此温度带的极限值在添加某些物质时可能会减小。在燃烧物流中氨的分布对于达到最大利用氨和减少在所定义温度带内的NO_x量是很重要的。无效利用将会增加成本和引起与氨释放有关的麻烦。

Arand等人在USP4,208,386中披露，尿素可以单独地加入或可作为溶液加入至温度范围在700至1100℃的富氧物流中。尽管在此温度带内未与NO_x反应的尿素经加热在化学上是被转化了，但在冷却过程中，有一些又会导致氨生成。此专利申请人指出，加入的尿素可以为研磨很细的粉末，熔融条件下的微细喷雾，或溶液型的微细喷雾。此外，这里如果采用Lyon的方法，分布对于选择性还原过程也是至关重要的，因此，对于操作经济性及避免那些与氨释放和污染相关的问题也是重要的。

同样，在US4,325,924中，Arand等人介绍了一种在富燃料物流中利用尿素的方法。这种类型的物流通过分段燃烧产生，它会导致高含碳污染物的生成。此外，对分布要求也很关键的，如果分布欠佳，也会造成不利经济影响和环境问题。