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1、烏海賽馬水泥有限責任公司利用工業廢渣建設2500t/d熟料水泥生產線窯尾脫硝項目可行性研究報告中國中材國際工程股份有限公司二一一年十月1 總論1.1 項目概況項目名稱烏海賽馬水泥有限責任公司利用工業廢渣生產熟料水泥生產線窯尾脫硝項目。建設地點內蒙古烏海市海南區拉僧廟鎮化工區。建設規模、范圍本項目是在回轉窯窯尾和分解爐之間設置采用由中國中材國際有限公司南京分公司自主開發的完全還原氣氛法脫氮裝置進行脫氮，該法是利用在回轉窯尾部加入專用在線分級均布還原燃燒和司料溫控技術以及欠氧燃燒區裝置來實現脫氮，同時還采用了多介質四通道低氮煤粉燃燒器(即噴煤管)來降低氮氧化物產生量。年減排氮氧化物（NOx）8282、.48噸。1.2項目背景新型干法水泥工業中NOx的來源氮氧化物（NOx）是大氣主要污染源之一，主要包括NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，其中給大氣造成污染的主要是NO和NO2。NOx對人體的健康和人類的生活環境有著較大的危害。新型干法水泥生產過程中，燃料在窯爐內燃燒時，助燃空氣中的氮氣分子氧化以及燃料中氮元素的氧化，都會生成NOx。當窯爐內的火焰溫度超過1200時，燃燒空氣中的氮氣與氧氣會發生氧化生成NOx稱之為“熱力型NOx”，窯爐溫度低于1200時，燃料中氮元素的氧化產生的NOx稱之為“燃料型NOx”。由于水泥回轉窯燒成帶的火焰溫度一般在17502000，固相溫度在1400143、75，因此大量熱力型NOx在燒成帶生成；而在分解爐和窯尾煙室上升管道區域，燃料燃燒溫度一般低于1200，因而在窯尾預分解系統中，主要生成的是燃料型NOx。NOx的排放標準及排放現狀眾所周知，排污控制標準是法律框架下最低要求，是企業生產必須滿足的條件，而達到更優的排放指標是企業應盡的責任和努力的方向。目前，中國國家標準 GB4915-2004的要求為NOx 許可排放量為800 mg/Nm3（10%氧基）。水泥作為保障國家經濟建設最基本的建筑材料，至今無法替代，而新型干法水泥技術是目前最先進的水泥生產方法，其在水泥工業中正在逐步得到推廣和大規模應用，我國新型干法水泥廠不經處理后的NOx排放量大都在4、400ppm1000ppm（假設C1出口氧含量為3.5%），若折算成NO2，并以10%氧含量計，則排放量為5161291 mg/Nm3，以一條5000噸的生產線為例，一天就要排放3.99.7噸的NOx（假設C1出口風量1.5Nm3/kg.cl）。隨著我國新型干法水泥工業技術和裝備的不斷發展，以及立窯水泥工業的逐步淘汰，新型干法水泥的產量也將逐漸增加，新型干法水泥工業產生的NOx排放量將呈迅猛增加的趨勢，隨之而來的NOx減排壓力也隨之增加。雖然水泥廠NOx排放量占全國總排放量的比例不高，但新型干法水泥工業發展速度快，單機規模大，年增排放量不可忽視。因此開發出一種與新型干法水泥生產工藝相配套的脫N5、Ox技術很有必要。當前我國正處于工業化、城鎮化加速發展的重要階段，經濟社會發展面臨著嚴峻的資源和環境雙重約束。水泥作為我國主要的高能耗、高排放產業，是工業領域節能減排的重點和難點，其節能減排效果對完成我國能源消耗目標、工業可持續發展起著舉足輕重的作用。加大節能減排力度，已成為水泥行業面臨的一項艱巨而緊迫的任務。因此開發出一種與新型干法水泥生產工藝相配套的脫NOx技術很有必要。1.3可行性研究依據國家發展和改革委員會2011年發布的產業結構調整指導目錄。國家發展和改革委員會2006年10月17日發布的水泥工業產業發展政策。國家工業和信息化部2010年11月16日發布的水泥行業準入條件。烏海賽馬水6、泥有限責任公司的委托。烏海賽馬水泥有限責任公司提供的有關基礎資料。1.4項目建設的必要性環境保護和節能減排的需要水泥行業是我國國民經濟建設的重要基礎材料產業，也是主要的能源消耗和污染物排放行業之一。2009年全國水泥總產量16.5億噸，水泥行業能源消耗總量約占全國能源消耗總量的5%，廢氣、顆粒物排放量約占工業排放總量的30%左右。“十一五”以來，水泥行業按照國家節能減排總體要求，加快產業結構調整步伐，大力推廣新型干法水泥生產工藝，2009年新型干法水泥產量比重達到70%；大型新型干法水泥生產技術、余熱發電技術等一批技術和裝備達到國際先進水平；水泥行業節能減排工作取得積極進展，噸水泥綜合能耗明顯7、降低，污染物排放總量不斷減少，年消納、利用各類工業廢渣超過4億噸。但是，水泥能源資源消耗高、環境負荷重的局面還未得到根本改變，節能減排仍有很多突出的問題亟待解決：單位產品能耗、排放與國際先進水平比較仍有差距；水泥工藝水平參差不齊，技術裝備差距較大，行業整體能效水平不高；污染物和顆粒物排放水平與國際先進水平相比仍有一定差距。落后產能還占一定比重，節能減排技術和裝備推廣力度不夠；部分企業未達到國家能耗和環保相關標準要求；現有的節能減排標準和規范還不完善，也未得到認真實施。相當多的企業節能減排管理職能機構不健全，節能減排管理水平需進一步提高。（2）項目建設是企業應盡的責任和義務國家在“十二五”規劃中8、提出“全面貫徹落實科學發展觀，嚴格執行產業政策，以降低能源消耗、減少污染物排放為目標。加快科技進步，大力推廣應用先進節能減排技術、工藝、裝備；加大淘汰落后產能力度，推行清潔生產；加強綜合利用，發展循環經濟，強化科學管理，努力構建資源節約與環境友好型水泥行業，促進水泥行業節約、清潔、低碳和可持續發展”。由此可知，大力推行清潔生產，降低污染物排放是每一個水泥企業今后的重點任務之一。烏海賽馬水泥有限責任公司通過本項目的實施，在提高能效、減少污染物排放的同時，也能為水泥行業脫硝技術的應用和工業推廣起到示范作用，對于全行業降低能源消耗、減少污染物排放保護環境做出貢獻。本項目的實施符合國家、自治區關于產業9、結構調整發展規劃的要求。二常規脫氮技術方案簡介2.1非催化選擇還原法（SNCR）SNCR脫NOx技術是把分解爐出口的那一部分空間作為反應器，將尿素（或其它還原劑）直接噴入分解爐出口處，此處的溫度一般為900左右，在此溫度下，尿素可迅速分解成NH3，NH3與煙氣中的NOx反應生成N2。這種方法熱電廠用的比較多，但水泥產品附加值較低，采用該法將會大幅度提高生產成本，在水泥生產企業推廣有一定的難度。22催化選擇還原法（SCR）SCR 脫 NOx 技術和 SNCR 法相同，其差別在于是否有催化劑的存在，效果是 NOx 還原率高，殘氨量低,操作溫度低，不利之處是水泥生料中的金屬氧化物容易使催化劑中毒失活10、，影響脫 NOx 的效果。2.3電子束輻照法電子束輻照法屬于干式氨法脫 NOx 技術，但此處的氨不是還原劑，而是中和劑，其原理是在電子束輻照下，煙氣中的 O2和 H2O 首先被高能電子激發產生強氧化性的活性基團O2和H2O，煙氣中的 NOx 被這些活性基團迅速氧化成 NO2，并與 H2O 作用生成 HNO3。HNO3與噴入煙氣中的氨發生化學反應，產生硝銨，達到脫除 NOx 的目的。其預期脫 NOx 效果較好，但設備費用和電耗較高。2.4完全還原氣氛法還原氣氛法是在還原區內缺氧燃燒產生 CO、CH4、H2、HCN 等還原型氣氛，且煤粉中的炭本身就是一種還原劑，這些還原氣氛和還原劑將流經還原區時，11、其中的 NOx 發生氧化還原反應，NOx 將被還原成 N2等無污染氣體。三目前的脫氮實踐及存在的問題目前國內某些新型干法水泥企業正在利用完全還原氣氛法和部分還原氣氛法，現將這兩種方法的應用狀況作一比較，結果見表1。表1國內使用的集團兩種脫氮技術比較技術類別完全還原氣氛法部分還原氣氛法具體結構喂煤點中部多點噴嘴對沖還原區窯尾對沖氣流還原區還原氣氛區大小較大局部還原區煤粉用量100%Max：10%還原區溫度控制方式粉料控制無控制效果工況ppm計230630工況mg/Nm3計472（3.0%O2）1294（2.82%O2）10%氧基mg/Nm3計289783存在問題四個爐用燃燒器上端出現結皮，兩側相12、對較輕。煤粉用量較少，但效果較差。結皮原因由煤灰及碳焦形成的低共熔物集中，粘結發育聚集，最終造成結皮堵塞。基本無結皮，偶爾會與少量有害成分共同作用導致結皮。使用情況可根據生產情況調節使用已恢復使用通過表1的比較不難看出：完全還原法的效果，要比部分還原法效果要好，但帶來的堵塞問題較大，因此，生產實踐中，要解決 NOx 排放量的控制和堵塞問題，必須針對具體的結構采用均布的方法加以控制，使其不要產生低共熔物區。另外，脫氮燃煤比例和煤灰混合比例是影響窯尾煙室結皮的關鍵因素，圖1為脫氮燃煤的用量比例對結皮值的影響，從中可以看出，對于兩種不同的煤灰類型，隨著脫氮燃煤比例的增加，結皮值都隨之增加。圖2為煤灰13、混合比例對結皮值的影響，從圖中可以看出，當用煤比例一定時，增加煤灰比將導致結皮值的快速增加。因此必須開發出一種既能有效脫除燒成系統中的NOx，又能確保煙室及分解爐底部不結皮不堵塞不影響熟料生產的新技術方案。四 項目建設內容及及技術工藝根據最新出臺的水泥行業準入條件(工原2010第127號)，新建或者改擴建熟料水泥生產線必須配置脫氮氧化物效率不低于60%的脫硝裝置。本項目是在回轉窯窯尾和分解爐之間設置，由中國中材國際有限公司南京分公司自主開發的完全還原氣氛法脫氮裝置進行脫氮，該法是利用在回轉窯尾部加入專用在線分級均布還原燃燒和司料溫控技術以及欠氧燃燒區裝置來實現脫氮，同時還采用了多介質四通道低氮14、煤粉燃燒器(即噴煤管)來降低氮氧化物產生量。據發明單位及發明人提供數據表明，采取此裝置脫氮后NO2排放濃度可達到289mg/m3。發明專利號：1、脫氮裝置專利號：ZL 2009 2 030 1404.9 2、多介質四通道低氮煤粉燃燒器專利號：ZL 2009 20301402.X（附：發明專利文書）。本項目工藝上配置了五級旋風預熱器和分解爐，并且采用多介質四通道噴煤管，窯內過剩空氣系數小，可控制隨煤粉入窯的空氣量，部分實現缺氧燃燒，窯內熱力型NOx含量在670mg/ Nm3；分解爐為在線式管道分解爐，所用煤粉從分解爐底部兩個方向噴入與煙氣混合，氣流氧含量低，其NOx產生量在110mg/ Nm3。15、回轉窯與分解爐產生的NOx比例為6:1，系統總的NOx產生濃度780 mg/ Nm3，采用完全還原氣氛法脫氮裝置脫出后NO2排放濃度為289mg/Nm3，脫除氮氧化物效率62.9%，符合水泥工業大氣污染物排放標準(GB4915-2004)中NO2排放濃度800mg/m3的限值要求。煙氣量174326 Nm3/h(標況，工況為480000m3/h)，NO2排放量為50.38kg/h。窯尾NO2噸產品排放量為0.42 kg/t，年減少NO2排放量570t,其生產工藝對NO2控制是可行的。本項目采用中國中材國際自主開發的完全還原氣氛法脫氮裝置進行脫氮，該方法是采用分段燃燒技術原理，在分解爐下部設置二16、次燃料缺氧燃燒的NOx還原區段，以控制NOx的最終生成量的一種“準二次措施”，該技術也稱為爐內燃料分級(區)燃燒技術。窯內已生成的NOx當遇到烴基CHi和未完全燃燒產物CO、H2、CH4和HCN等還原型氣氛，且煤粉中的炭本身就是一種還原劑，這些還原氣氛和還原劑將流經還原區時會發生NOx的還原反應，NOx 將被還原成 N2 等無污染氣體。利用該原理，在分解爐下部與煙室連接處送入燃料，此處窯內廢氣的氧含量已很小，且溫度很高，噴入燃料后將形成很強的還原性氣氛，使得在回轉窯內生成的NOx在該燃燒區內被煤揮發出來的揮發份物質還原成氮分子。在該處不僅使得已生成的NOx得到還原，同時還抑制了新的NOx生成，17、可使其排放濃度進一步減低。此后，燃燒產物進入二次燃燒區，送入三次風，因控制的氧化氣氛可達到最終完全燃燒的目的。燃盡過程中因燃燒溫度低，重新生成的NOx量少，總的來看使用爐內二次燃燒技術后水泥廠的NOx排放量可大大降低。圖中1是回轉窯，2是窯尾煙室，3是燃燒器，4是欠氧燃燒區裝置，5是旋風筒下料管，6是分解爐，7是三次風入口本技術特點利用了窯尾煙氣的特點在特殊結構的欠氧燃燒區均勻喂煤，快速生產還原氣體，使窯尾廢氣與還原氣體充分接觸，將廢氣中NOx的還原生成氮氣，通過司料位置和分散落點控制燃燒區溫度，以調節燃燒速度差異導致的溫度不均，不會在煙室壁面產生高溫區，避免了結皮情況的發生。欠氧燃燒的廢氣還18、經過正常的過氧燃燒，不會有大量一氧化碳等燃燒氣體產生，并不會對后面的工藝帶來安全隱患。為實現該法的理想效果，采取的主要技術措施如下：4.1技術措施一：采用在線分級均布燃燒和司料溫控技術針對目前生產系統中采用的低 NOx 排放控制技術中存在問題，在不增加生產費用的情況下，為了實現低 NOx 的控制目標，提出了在線分級均布燃燒和司料溫控技術，這種技術的提出其核心是基于以下四點的考慮：、必須在三次風進入前的窯氣通道中，構造出一個有效的強還原區。、確保還原區內各位物理場的相對均勻性，邊壁不形成過濃的煤粉濃度場。、避免還原區內近壁處低共熔物過度集中和貼壁，尤其是煤灰和煤焦形成的低共熔物。、保證NOx在還19、原區域內與CO有足夠的反應停留時間，避免CO被三次風中的氧氣氧化。為了實現上述四點目標，采取的主要技術措施如下：、在窯尾和分解爐之間，設計出合理有效且有利于各物理場均布要求的還原區，其結構示意圖如圖2所示，數值模擬效果如圖3所示。、采用特殊的煤粉噴嘴和高壓煤粉噴入系統，提高煤粉流股的穿透力，將煤粉均勻地噴入窯氣中心部位。、根據需求適當控制還原區內分級燃燒的煤粉比例，同時避免低共熔物過度集中問題。、采用特殊分料措施，有效控制還原區內的溫度，既不產生高溫區、也不產生低溫區。在線分級均布燃燒和司料溫控技術的應用過程中，需要用到以下主要設備：煤粉計量秤、煤粉分配器、高速噴射管、電動分料閥等。圖2脫氮裝20、置結構示意圖圖3數值模擬結果圖4多介質多通道離散式低NOx燃燒器的結構圖4.2技術措施二：采用多介質多通道離散式低NOx燃燒器采用低NOx燃燒器從源頭上控制NOx的產生，就能有效地控制NOx的排放問題。Sinoma開發設計的大型燃燒設備的結構如圖4所示，圖4-a為多介質多通道離散式低NOx燃燒器全貌，圖4-b和4-c為燃燒器頭部放大圖。多介質多通道離散式低NOx燃燒器的設計特點有：、合適的出口氣體噴出動量設計。噴出動量較小會影響卷吸高溫風量以及與煤粉的充分混合和快速燃燒，導致局部還原氣氛和煤粉的沉落，影響熟料的質量，甚至出現因煤粉的沉落造成的窯內前結圈問題。除此之外還會因為火焰剛度，造成下游無21、回流區，進一步影響燃燒過程所需要的各種擴散；噴出動量過大會引起外回流較大，一方面擠占火焰下游的燃燒空間，降低火焰下游的氧濃度，同樣會導致燃燒不完全問題，造成CO濃度升高。、外風采用擴張式離散噴嘴結構，有效地避免傳統的環行通道易變形及對稱性難于控制問題。、內旋流風利用小葉片、多片數目、大遮度的固定式旋流器，可穩定火焰，加強早期混合。、特殊的噴嘴結構，可強化空氣與煤粉的混合，具有較低的一次風率，適應低氧燃燒，可使NOx的排放量大大降低。、利用水和煤粉在高溫還原條件下的水煤氣反應吸熱，控制煤粉火炬的溫度峰值，在保證水泥燒成工藝要求的前提下有效減少NOx的生成，從而有效降低NOx生成，同時離散噴嘴還可22、解決長期在高溫條件下使用的變形問題。在燃燒器的開發設計過程中，采用強湍流、強回流、強旋流，以達到強化燃料與空氣混合、提高燃燒強度和降低局部高溫以及降低NOx含量的設計理念。達到技術先進，穩定可靠，便于調節的目的。多介質多通道離散式低NOx燃燒器的使用過程中，需要用到以下主要設備：水煤漿輸送泵、空氣壓縮機、水煤漿攪拌罐等。4.3中國中材國際的先進技術特點本項目將采用中國中材國際的在線分級均布燃燒和司料溫控技術，該技術具有燃燒截面積大、氣體速度快，這充分保證了煤粉在單位截面積上的還原氣氛均布，還原化學反應過程均勻發生，還原效率高，能避免局部高溫和結皮堵塞；從表2中還可以看出，在線分級均布燃燒和司料23、溫控技術煤粉用量及其停留時間適中，能有效避免復雜流場的出現。此外還可以看出，中材國際的技術中，顆粒在分解爐底部分布均勻，沒有過高的濃度梯度變化，在保證脫氮效果的同時能有效避免顆粒分布不均以及局部高溫的問題。表3為各公司的技術特征及技術效果的比較，從表3中可以看出，在線分級均布燃燒和司料溫控法可使NOx排放量達到歐洲標準。表2中國國際的技術與其它公司技術的參數比較運行參數Polysius中國中材國際燃燒器面積（m2）8.8212.81523.76喂煤量（t/h）31310喂煤點414停留時間（s）0.30.480.42喂煤點流場情況流場復雜，渦流區多流場相互干擾流場簡單煤粉截面流量Kg/m3s024、.80.060.12表3 中材國際技術與其它公司技術的特征和效果比較研發企業KHDSMIDTHPOLYSIUS神戶制鋼Sinoma主要技術特征窯尾上升管燃料分級供應，管內高速湍流運動分解爐燃料全部在還原區供入，還原區后送入三次風燃燒分解爐燃料20%30%從窯尾供入，在回轉窯內形成對沖火焰采用雙層燃燒，分解爐燃料10%從下層燃燒區供入燃料分級供應，分級司料控制溫度，還原區溫度場和物料場均布NOx排放mg/Nm31040439800800412485時用效果兩股氣流混合不均，煤粉貼壁結皮：停留時間短，NOx還原效果不好還原區煤粉濃度過高且分布不均，形成低共熔物，嚴重粘結堵塞對沖火焰沿徑向溫度和濃度25、嚴重不均，形成近壁高溫區，壁面結皮還原區停留時間短，分級比例小，NOx還原效果弱，煤種適應性差煤粉均布燃燒，無結皮無堵料，NOx降低50%以上。實踐證明，中國中材國際的技術脫氮效果明顯，燒成系統運行參數穩定，NOx的排放量可得到有效降低。總之，中國中材國際在解決新型干法水泥工業NOx超標問題上有著豐富的研發和實踐經驗，技術上的先進性及可靠性必將為用戶帶來可觀的經濟效益和社會效益。五投資估算5.1 概述本項目擬建設2500t/d新型干法熟料水泥生產線窯尾脫氮，年減排氮氧化物（NOx）828.48t。建設總投資為540萬元。5.2 投資構成本項目投資構成情況見表5-1。表5-1 投資構成表金額單位：萬元人民幣名 稱總投資設備購置安裝工程其他費用金額54032616945100%60.3731.308.33