李思瑤，胡 鑫，柴俊希，高瑞儀，周興偉

(青海大學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

水泥窯控制NOx排放的主要技術(shù)有選擇性催化還原法(SCR)與選擇性非催化還原法(SNCR)等。SCR技術(shù)雖然脫硝效率高，但脫硝成本高，并對操作溫度窗口和含塵量有特殊要求，在水泥窯極少使用[1]。SNCR技術(shù)目前在水泥行業(yè)應(yīng)用廣泛，但以氨水作為還原劑，運(yùn)行成本較高，同時(shí)存在氨逃逸及安全性的問題[2]；以尿素溶液作為還原劑時(shí)，脫硝反應(yīng)速率較低，尿素利用率低[3]。目前，我國針對水泥窯尾煙氣脫硝技術(shù)還不成熟，煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用較少，更沒有在高原地區(qū)開發(fā)應(yīng)用實(shí)例。

高濃度氨氮廢水處理工藝復(fù)雜，處理成本高[4]，一般處理1噸高濃度氨氮廢水成本為2～8元。本文采用高濃度的有機(jī)廢水代替氨水了，作為水泥窯SNCR煙氣脫硝的還原劑，既解決了工業(yè)有機(jī)廢水，又節(jié)省SNCR脫硝還原劑的費(fèi)用，從而降低了運(yùn)行成本。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1)實(shí)驗(yàn)材料。丙烯酸(C3H4O2)廢水，為青海某公司生產(chǎn)的高濃度有機(jī)廢水。經(jīng)檢測分析得到丙烯酸廢水的TOC、氨氮的測樣結(jié)果，見表1。

表1 丙烯酸廢水樣品測試結(jié)果 ρ/(mg/L)

2)實(shí)驗(yàn)儀器。圓柱體燃煤爐，定量給煤機(jī)TWLD40(北京東方孚德技術(shù)發(fā)展中心)，水經(jīng)泥漿泵G10-1(上海中球泵業(yè)有限公司)，TESTO340煙氣分析儀(德國德圖公司)，MCA04-M移動(dòng)式高溫紅外多組分煙氣分析儀(德國fodisch公司)，雙流體霧化噴槍。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 脫硝實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以丙烯酸(C3H4O2)廢水為原料，在水泥窯分解爐內(nèi)860～1150 ℃ 區(qū)域內(nèi)噴射，將氮氧化物還原生成氮?dú)狻⒍趸?、水。反?yīng)方程如下：

采用 2 t/h 實(shí)驗(yàn)鍋爐模擬水泥窯分解爐進(jìn)行廢水SNCR煙氣脫硝實(shí)驗(yàn)。煙氣流量為 3510 m3/h，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 68 mg/kg。廢水噴入點(diǎn)溫度為 880 ℃，廢水用量為 5.5 L/h。所選用的廢水中有機(jī)碳與氨氮含量見表2。廢水霧化噴槍外徑為 12 mm，出口直徑為 3 mm，管道壓力為 0.15 MPa 時(shí)，噴槍工作正常。

表2 廢水中有機(jī)碳與氨氮含量 ρ/(mg/L)

污水泵加壓后高濃度有機(jī)廢水泵至研發(fā)的雙流體霧化噴槍內(nèi)，空氣壓縮機(jī)對槍體內(nèi)的高濃度有機(jī)廢水加壓后霧化噴入圓柱體燃煤爐腔體內(nèi)，調(diào)節(jié)進(jìn)入爐體有機(jī)廢水的速率。高濃度有機(jī)廢水霧化后經(jīng)噴槍進(jìn)入爐體與高溫的煤爐反應(yīng)，廢水的還原性物質(zhì)在高溫條件下將氮氧化物還原成氮?dú)?，達(dá)到脫硝的效果，通過風(fēng)機(jī)排出到空氣中。

實(shí)驗(yàn)所用燃煤為神木低硫低灰煤。將燃煤混勻后分成2組，分別進(jìn)行燃煤爐無噴淋和噴淋試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中控制2組試驗(yàn)參數(shù)相同，以便對比。無噴淋實(shí)驗(yàn)和噴淋實(shí)驗(yàn)過程分別檢測煙氣成分對比脫硝效率，重復(fù)進(jìn)行兩水平多因素實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB30485-2013)[5]及《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB4915-2013)[6]，采用對燃煤煙氣成分分別進(jìn)行連續(xù)在線分析和定時(shí)定點(diǎn)分析，在穩(wěn)定燃燒周期內(nèi)用NO的脫除效率表示丙烯酸鈉有機(jī)廢水的脫硝效率[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙氣溫度對脫硝的影響

在氧體積分?jǐn)?shù)為4.1%，噴射高濃度丙烯酸鈉有機(jī)廢水的情況下，測定了溫度對脫硝效率的影響，如圖1所示。丙烯酸鈉有機(jī)廢水在溫度為 1190 K 時(shí)，脫硝效率為12.7%；隨著溫度的升高，脫硝效率逐步提高；在溫度為 1360 K 時(shí)，脫硝效率達(dá)到最高，為37.6%；溫度再升高，有機(jī)廢水的脫硝效率逐步下降。

圖1 溫度-脫硝效率曲線

2.2 氧含量的影響

煙氣中O2的體積分?jǐn)?shù)對處理高濃度有機(jī)廢水的脫硝效率有重要影響。以氧體積分?jǐn)?shù)為變量，結(jié)果如圖2所示。較低φ(O2)有助于提高廢氣中NO的去除效果，煙氣氧體積分?jǐn)?shù)低于4%時(shí)，脫硝效率較高，達(dá)到40%；而氧體積分?jǐn)?shù)高于5%時(shí)，脫硝效率急劇下降。表明煙氣氧含量提高，有機(jī)物與氧、NO的競爭性反應(yīng)中，有機(jī)物易被氧氣氧化而失去脫硝能力。

圖2 氧濃度-脫硝效率曲線

2.3 停留時(shí)間的影響

如圖3所示，廢水在高溫區(qū)停留時(shí)間為 0.52 s 時(shí)，廢水的脫硝效率可以達(dá)到接近20%；高溫區(qū)停留時(shí)間達(dá)到 0.68 s 時(shí)脫硝效率提升至32%；停留時(shí)間達(dá)到 0.82 s 時(shí)，脫硝效率提高至37%左右。由于廢水中大分子有機(jī)物的升溫，有機(jī)物降解及與NO的還原反應(yīng)都需要一定的時(shí)間，高濃度有機(jī)廢水在煤爐腔體內(nèi)停留時(shí)間越長，與廢氣中氮氧化物的反應(yīng)越充分，還原脫硝效果則越好。適當(dāng)?shù)脑黾臃磻?yīng)時(shí)間，可以提高脫硝效果，因此廢水的停留時(shí)間不宜小于 0.8 s。

圖3 停留時(shí)間對脫硝效率的影響

2.4 廢水噴射方向的影響

由圖4分析可得，采用正向噴射和逆向噴射，對廢水脫硝效率有較大的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)得到優(yōu)化條件的情況下，丙烯酸廢水煤爐爐體內(nèi)延期溫度分別控制在 1185 K 和 1403 K ，改變雙流體霧化噴槍的噴射角度，分別采用正向噴射和反向噴射的噴射方式，改變高濃度丙烯酸廢水和廢爐氣的混合程度，改變爐內(nèi)反應(yīng)溫度。實(shí)驗(yàn)表明，逆向噴射和正向噴射的脫硝效率分別達(dá)到30.4%和19.3%。

圖4 廢水噴射方向?qū)γ撓跣实挠绊?/p>

3 結(jié)論

1) 本實(shí)驗(yàn)測得低φ(O2)有利于高濃度有機(jī)廢水脫除煙氣中的NO；高濃度有機(jī)廢水霧化后同爐體內(nèi)廢氣的混合充分程度和停留時(shí)間對工藝脫硝效率有重要的影響，反應(yīng)停留時(shí)間控制在 0.80 s 以上時(shí)，脫硝效率較高；當(dāng)爐體反應(yīng)區(qū)溫度越高，工藝脫硝效率越高，但不宜高于 1360 K。

2)逆向噴入使丙烯酸廢水和煙氣的混合更加充分，更有助于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)，爐內(nèi)低溫區(qū)氧化還原反應(yīng)為動(dòng)力控制，爐內(nèi)高溫區(qū)為擴(kuò)散控制。