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Reducing NOx emission
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Review No. 111
¢ Reducción del NOx/Reducing NOx emission
¢ Paper presented at the II COLOQUIOS DE DIRECTORES Y TECHNICOSDE FABRICAS DE CEMENTO, BARCELONA, november 1993, Organised byCEMENTO - HORMIGON
¢ By Kent Thomsen and Peter Rosholm, F.L.Smidth & Co. A/S, Denmark
Reducció del NOxPor Kent Thomsen y Peter Rosholm
F.L.Smidth & Co. A/SVigerslev Allé 77, DK-2500 Valby, Dinamarca
1. IntroducciónLos límites de emisión del NOX se tornancada día más estrictos.A partir de marzo de 1994, los límites deemisión del NOX en Alemania van a sermodificados a:500 mg de N02/Nm3 (*) para plantasnuevas800 mg de N02/Nm3 (*) para plantasexistentesw Los valores se refieren al 10% (vol.) de oxígeno.En este orden de cifras se espera queotros países europeos pongan sus lími-tes de emisión en un futuro próximo. Losdiferentes sistemas de hornos pueden serclasificados en cinco categorías, tal comose muestra en la tabla 1. Los hornos delas categorías 1, 2 y 3 pueden ser equi-pados con enfriador planetario o enfriadorde parrilla, mientras que los de las cate-gorías 4 y 5, que tienen conducto de aireterciario, siempre están equipados conenfriadores de parrilla. La figura 1 mues-tra emisiones típicas para algunas de lascategorías de plantas definidas en la ta-bla 1. Las mediciones de plantas de lacategoría 2 están clasificadas según eltipo de enfriador y para la categoría 4 seincluyen unas mediciones del NOX de hor-nos ILC equipados con by-pass de losgases del horno. También van incluidoslos contenidos típicos del NOX en los ga-ses provenientes del horno y en los ga-ses que vienen de un calcinador SLC oSLC-S.
Reducción del NOXPor Kent Thomsen y Peter Rosholm
F. LSmidth & Co. A/S, Vigerslev Alié 77, DK-2500 Valby, Dinamarca
Comparando las mediciones de lafigura 1 se observa que muchasplantas existentes no cumplen con losnuevos límites alemanes. Para estasplantas se puede anticipar la necesi-dad de modificar el proceso parareducir la emisión del NO
X en un
futuro próximo. Según el mecanismode formación, se distingue entreel NO
X,térmico y el N0
x,combust¡bie (ref. 1.).
El NOX, térm¡co
. que se forma en la zonade cocción del horno, debido a lasaltas temperaturas, depende de lossiguientes factores:1. La quemabilidad de la harina cru-
da, que determina la temperaturanecesaria en la zona de cocciónpara obtener un nivel de cal libreaceptable en el clínker.
2. El manejo del horno, especial-mente en lo que se refiere al con-trol de la cal libre y el nivel de aireen exceso.
Tabla 1. Categorías de sistemas de hornos
Enfriador Valores típicos
Núm. Categoría Parrilla Planetario RILC Y (1-Y)
1. Hornos largos de vía seca y hornos de vía húmeda A A 0% 1,0 02. Hornos SP (con precalentador de suspensión) A A 0% 1,0 03. Hornos SP con combustión secundaria en el tubo ascendente
y hornos ILC-E (con calcinador sin conducto de aire terciario) A A 0-25% 0,8 0,24. Hornos ILC (con calcinador integrado en el tubo ascendente
y conducto de aire terciario) A NA 0-55% 0,4 0,65. Hornos SLC y SLC-S (con calcinador de línea separada
y conducto de aire terciario) A NA 0 0,4 0,6
RILC = La reducción relativa del NOXitotai debido a que los gases del horno pasan por el calcinador ILCY = La proporción de gases del horno respecto a los gases que salen del sistema.(1 -Y) = La proporción de gases del calcinador respecto a los gases que salen del sistema.
Figura 1. Emisión de NOX de los diferentes sistemas de hornos
GRUPO
ENFRIADOR
BY-PASS
PARRILLA planetario planetario parrilla parrilla
NOx,térmico
del horno
parrilla
NOx,combustible
del calcinadorSLC/SLC-S
Limitesalemanes
Plantasexistentes
Plantasnuevas
mg
de
NO
x/N
m3 (1
0% d
e O
2)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
- - - - + -
X + SXX - S
2 3 4 5
3. El quemador y su ajuste que, conjunta-mente con el combustible, determinanla forma de la llama y el nivel de aireprimario.
El NOXiCOmbust¡bie, que se forma en el calci-nador a temperaturas relativamente ba-jas debido al contenido de nitrógeno enel combustible, depende de los siguien-tes factores:4. Las propiedades y la composición quí-
mica del combustible, especialmenteel contenido de nitrógeno y volátiles.
5. La temperatura en el calcinador.6. Las condiciones de la combustión, es-
pecialmente la relación estequiomé-trica entre el aire de combustión y elcombustible, que determinan si lascondiciones son oxidantes o reducto-ras.
La emisión total N0x,totai incluye las contri-buciones del N0x/térmico y N0x,combustib|e, pon-deradas con la proporción Y de gases pro-venientes del horno y la proporción (1-Y)de gases provenientes del calcinador, res-pectivamente.Cuando los gases del horno pasan porun calcinador ILC (categorías 3 y 4 en latabla 1) puede haber un efecto de recom-bustión RILO que disminuye el NOXitotai encomparación con los otros sistemas(categorías 1, 2 y 5 en la tabla 1) dondeRILC = O.La emisión del NOX;totai se estima segúnla siguiente fórmula:NOx.total =(Y X NOx/térmico + O - Y) X NOX;combustible)X(1-R|Lc) (A)
En la figura 1 se muestran unos valorestípicos del N0x,térmico y N0x,combustib|e. Losvalores típicos de Y y (1 -Y), conjunta-mente con los intervalos de R|Lc se mues-tran en la tabla 1.
Ejemplo
En un sistema SLC o SLC-S se puede me-dir tanto el NOX;térmico en el tubo ascen-dente como el ÑOX(Combust¡bie despuésdel calcinador.
Utilizando los valores medios de NOXrtér-mico y N0x,combustibie de la figura 1 y el va-lor de Y en la tabla 1, se calcula la emi-sión
.
NOX totai = 0,4 X 885 + 0,6 X 1080 = 1000mg de N0x/Nm3 (10% de 02)
En un sistema ILC es posible medir el NOx/
térm¡co en el tubo ascendente y el NOxtotaien los gases que salen del preca-lentador,mientras no es posible medir el
Utilizando los valores medios de NOXítotaipara hornos ILC de la figura 1 y el valorde Y en la tabla 1, se calcula el efecto O-RILC) del sistema ILC en comparación conel sistema SLC calculado anteriormente,según:
= 1000X(1-RILC)
Los esfuerzos para reducir la emisión delNOX pueden ser repartidos en dos gru-pos; las precauciones primarias (P) y lassecundarias (S).
El grupo de precauciones primarias, quetrata de minimizar la formación del NOX
en el sistema, comprende la optimización
de las condiciones 1,2 y 3 de la forma-ción del N0x/térmico y las condiciones 4, 5 y6 de la formación del NOX;Combust¡bie, res-pectivamente.El grupo de precauciones secundarias,que trata de eliminar el N0x/térmico enel tubo ascendente del horno al precalenta-dory el N0x,combustible en la salida del calci-nador, comprende los siguientes métodos:7. Inyección de amoníaco, urea o similar.8. Recombustión.Con el objeto de que las nuevas plantascumplan estrictamente con los límites deemisión y en las plantas existentes se re-duzcan las emisiones a un nivel acepta-ble, F.LSmidth & Co. ha participado en eldesarrollo técnico en cuanto a la reduc-ción de emisiones del NOX dentro de lossiguientes tres campos:A. Mejoras en los diseños de
maquinaria, tales como:i) Calcinadores con combustión tan-to a alta temperatura como escalona-da de forma subestequiométrica. ii)Quemadores de bajo nivel de aire pri-mario y de recombustión en el tuboascendente del horno al precalenta-dor (ref.1).
B. Reducción del NOX a través de la in-yección de amoníaco en el calcinador.(ref.2).
C. Métodos mejorados de manejo auto-mático y de control del horno, inclu-yendo la minimización de las emisio-nes atmosféricas como parte de la es-trategia de control (ref.3).
En este artículo se trata de resumir, deforma sistemática, las experiencias obteni-das en la práctica con los distintos méto-dos de reducción del NOX, y de evaluar lareducción potencial obtenible con cadauno de los métodos.
2. Métodos para reducción del NOX
La tabla 2 muestra, de forma esquemá-tica, los diferentes métodos disponibles(A = aplicable, NA= no aplicable) de lareducción del NOX y su aplicación paralos dos tipos del NOX.
El efecto reductor del NOX,Z, (z = térmicoo combustible) de los 8 métodos m, (m= 1, 2,3 ... 8) se evalúa a través del factorde reducción relativa Rm,z definido como:
Rm,z
= (NOx, zantes
- NO
XiZ/c|espués)/
NOx,z,antes (B)
1-Rm,z
== NOxz después’
/NOXZ antes
Si se aplican varios de los métodossimultáneamente, el factor total dereducción relativa se calcula según:
1-Rtotal,z
= (1 - Rl.z) X (1 - R2iZ) X ....X
(1-R8,z) (OSi un método m no es aplicable, enton-ces Rm,z = 0.
Tabla 2. Métodos para reducción del NOX
Núm. Método NO NOx-combustible
P S P S
1. Cambio de la quemabilidad de la harina cruda A NA2. Control computarizado del horno - Fuzzy II A (A)3. Quemador Centrax - quemador de bajo aire primario A NA4. Cambio del tipo de combustible (A) A5. Combustión a alta temperatura en el calcinador NA A6. Combustión en dos fases en el calcinador NA A7. Inyección de amoníaco (NH3) (A) A8. Recombustión A (A)
A AplicableNA No aplicable(A) Es posible que el método sea aplicable, pero no hay suficientes experiencias
para estimar el efecto de una forma cuantitativa.P Precaución primaria, que trata de reducir la formación del NO xS Precaución secundaria, que trata de eliminar el NOX formado anteriormente
en el proceso.
La emisión esperada, después de aplicaruna o cualquiera combinación de las pre-cauciones, se estima según la siguiente fór-mula:NOxtotal = (Y X NO xtérm¡co *-(1 Rtotal,térmico) + (1 -Y)X N0x/combustible
X (1 - Rtotal,combustible)) x (1-R
ILC) (D)
En las siguientes secciones se evalúa elvalor máximo máx(Rm;Z) observado para los8 métodos anteriormente mencionados, de-finiendo un intervalo de posibles reduccio-nes para cada uno de los métodos.
2.1. Cambio de la quemabilidadde la harina cruda
Una mejora en la quemabilidad de la harinacruda resulta en una temperatura más bajaen la zona de cocción, lo que, a su vez,reduce la formación del NO
x,témico.
En algunos casos específicos en los que seha modificado la composición de la harinacruda, añadiendo agentes fundentes ymineralizadores, la reducción estimada delNOxtérmico, es de hasta el 30% en los gasesprovenientes de la llama del horno rotato-rio.El intervalo del factor de reducciónrelativa es:R
1,térmico: 0-30%
R1 lcombustible
: O
2.2. El programa de control con ordenador - Fuzzy IIEl Fuzzy II, que es un sistema de control delmanejo automático del horno, asegura unaóptima calidad del clínker, manteniendo latemperatura en la zona de cocción de ma-nera justamente adecuada, y previniendoentonces sobrecocción del clínker. Además,el Fuzzy II puede controlar la formación delNOXitérmico en el horno rotatorio, mantenien-do el aire en exceso a un mínimo y evitandoasí la emisión inaceptable de CO al compa-rar CO, NOX y O2 medidos a la entrada delhorno. El menor promedio de aire en exce-so y la temperatura más baja resultantes enla zona de cocción contribuyen a que la
emisión media del N0x/térmico, proveniente dela llama del horno rotatorio, sea reducida enhasta un 30%.El diseño y el control de los calcinadores debajo NOX son complicados. El perfil de tem-peratura está controlado a través de la dis-tribución de la harina cruda y las condicio-nes de la combustión escalonada están con-troladas con la distribución del aire tercia-rio. Por esta razón se puede esperar queun manejo y un control, ambos automáticos,según principios adecuados pueden ayudara mantener las condiciones del calcinadorconstantemente cerca de las condicionesóptimas con respecto a una mínima forma-ción de NOx/combust¡bie. Con un manejo auto-mático previsto en el futuro próximo, se es-peran obtener datos confiables, permitien-do una evaluación cuantitativa de la reduc-ción relativa de la emisión del N0x,combustible-
El intervalo del factor de reducción relativaes:R
1,térmico: 0-30%
R1 lcombustible
: El intervalo no está definido.
2.3. Quemador de bajo aire primarioLa menor formación del N0x,térmico en este tipode quemador se debe, en parte, a un flujomás uniforme sin crestas de alta tempera-tura y, en parte, a la configuración del flujoen la llama que crea una atmósfera localreductora. También el menor consumo decalor específico, en kcal/ kg de clínker, con-tribuye a disminuir el NOx.térmico- El que-mador Centrax de bajo aire primario deF.LSmidth &Co. fue instalado en un horno
con precalcinador de 4000 t/d y en un hor-no con precalentador de suspensión de1200 t/d. Las cifras principales pueden ver-se en la tabla 3. Como podrá apreciarse, lareducción de la emisión del NOX en la chi-menea es de un 15% para el horno conprecalentador de suspensión y de un 8%para el horno con calcinador, sin cambiosignificativo en la calidad del clínker. Ade-más, se obtiene un pequeño ahorro de com-bustible en ambos hornos.Debido a la instalación de un quemador debajo nivel de aire primario se puede espe-rar una reducción del NOx/térm¡Co del ordende hasta el 15% comparada con un quema-dor convencional.El intervalo del factor de reducción relativaes:
R1,térmico
: 0-15%R
1 lcombustible: O
2.4. Cambio del tipo de combustibleLa formación del NOXjtérmJCO del quemadorprincipal es independiente del contenido denitrógeno en el combustible, pero dependede la temperatura de la llama. La tempera-tura de llamas de fuel-oil y especialmentede gas natural es normalmente más alta quela de llamas de carbón. En consecuencia,estas combustibles tienden a crear másNOXitérm¡co. En sistemas de hornos conprecalcinador es factible obtener una con-siderable reducción del NOx,COmbustibie pro-veniente del calcinador, cambiando simple-mente el tipo de combustible a un tipo conmenor contenido de nitrógeno. ElNOX;Combust¡ble proveniente del calcinador estárelacionado al tipo de combustible y lavelocidad de la combustión. La formacióndel N0X;Combust¡ble ie es más grande utilizandoel coque de petróleo y disminuye gradual-mente utilizando la hulla, lignito, fuel-oil ygas.En un sistema SLC-S, el NOX;Combust¡b|e pro-veniente del calcinador disminuye en un82%, cambiando el combustible de coquede petróleo a fuel-oil, tal como se muestraen la tabla 4.El intervalo del factor de reducción relativaes:
R4,térmico
: 0-15%
R4, combustible
: 0-82% para fuel-oil y
0-100% para el gas natural.
Tabla 4.Reducción del NOX cambiando combustible de coque de petróleo a fuel-oil
mg/Nm3de N en
Combustible NOx-calcinador combustible, N convertido Reducciónal 10% de O
2en % al NO
x, en % del NO
x, en %
Coque de petróleo 1650 1,59 73
Fuel-oil 300 0,30 69 82
Tabla 3. Reducción del NOX por quemadores de aire primario bajo.
Horno con Horno conprecalentador de calcinador desuspension linea separadade tipo especial
Antes Despues Antes Despues
Produccion, en t/d 1200 1275 4000 4000
Aire primario, en % de Amin
11,3 3,7 10,5 3,6
Consumo total de combustible, en kcal/kgcl 813 790 1030 1020
NOx en chimenea en mg/Nm3 al 10% de O
2902 769 1117 1025
Cal libre en clinker 1,3 1,3 1,53 1,65
2.5. Combustión a alta temperatura en el calcinadorLos calcinadores ILC y SLC-S de FLSpara combustión, tanto escalonada endos fases como a alta temperatura, semuestran en las figuras 2 y 3. Como seilustra con más detalle en la figura 4, laalimentación de harina cruda está divi-dida en dos o tres flujos, respectivamen-te. La alta temperatura en la parte infe-rior del calcinador se obtiene desviandouna parte de la alimentación a la salidadel calcinador o al tubo ascendente, res-pectivamente. Fundamentalmente, sellevan a cabo en el calcinador, a escalaindustrial, dos diferentes reacciones queafectan al NOX,combustible: una formando elNOX,combustible a partir del nitrógeno delcombustible ‘’N‘’ y la otra eliminando elNOX,combustible (véanse las reacciones (1)y (2) de la figura 6). Como la velocidadde la reacción (2) de eliminación seincrementa más rápidamente con la tem-peratura que la de la formación (1), unatemperatura más alta de combustión enel calcinador hace que el NOX,combustibledisminuya. En un calcinador SLC-S debajo NOX (véanse las figuras 3 y 4) pre-visto para quemar coque de petróleoequivalente a 480 kcal/kg clínker a altatemperatura en la cámara de combus-tión y con una temperatura de 900°C,aproximadamente, después delcalcinador superior, se ha observadouna reducción del N0X,combustible en hastael 40% con un aumento de la tempera-tura a la salida de la cámara de com-bustión a 1150- 1200°C La reducción delNOX,combustible en función de la temperatu-ra a la salida de la cámara de combus-tión se muestra en la figura 5. Se obser-va que si la temperatura se incrementacon aproximadamente 100°C, es facti-ble reducir el NOX del calcinador en un10-15%. La temperatura máxima en elcalcinador es determinada por lafusibilidad de la ceniza o la formaciónde fase líquida de la harina cruda y esmenor de 1200°C.
El intervalo del factor de reducciónrelativa es:R
5,térmico : O
R5, combustible
: 0-40% ó 10-15% por cada
100°C de aumento en la temperatura.
Figura 2. Calcinador ILC de bajo NOX para combustión sub-estequiométrica aaltas temperaturas en la cámara inferior de combustión.
D Zona oxidante
Zona reductora
Figura 3. Calcinador SLC-S de bajo NOX para combustión sub-estequiométricaa altas temperaturas en la cámara inferior de combustión.Dada la existencia de una división de la alimentación entre el calcinador y eltubo ascendente se puede conseguir una operación de temperatura alta delcalcinador superior.El sistema está provisto de quemadores para recombustión en el tuboascendente.
D Zona oxidante
Zona reductora
Figura 4. Calcinador SLC-S de bajoNOX con cámara de combustión ydivisión de la alimentación de harinacruda entre el tubo ascendente, lacámara de combustión y la cámarasuperior del calcinador para obtenercombustión a alta temperatura en lacámara de combustión. También elaire terciario está dividido en 2 flujospara obtener combustión escalonadade dos etapas.
2.6. Combustión escalonada en dos fases en el calcinador.En el calcinador de bajo NOX previstopara combustión escalonada en dosfases, el aire terciario de combustión sedivide en dos flujos, que se suministra acada una de las dos secciones delcalcinador, como se muestra en lasfiguras 2, 3 y 4. En la sección inferior sealimenta todo el combustible, pero notodo el aire terciario, creando así unazona de condiciones reductoras en lacámara de combustión. Esto se ilustraen las figuras 2 y 3. El resto del aireterciario se suministra a la secciónsuperior, lo que crea una zona oxidante.Aparte del nivel de aire de combustión(A<1,0), la reducción obtenible del N(\combustible debido a la combustiónescalonada en dos fases, dependeprincipalmente del tipo de combustible y
Temperatura de la salida de la cámara de combustión en °C
Figura 5. Reducción del NOX,combustible del calcinador (mg de NOx/Nm3 al 10%de O2) en función de la temperatura a la salida de la cámara de combustiónde un calcinador SLC-S de dos etapas.
Tabla 5. Reducción de NOX con combustión escalonada
Aire en exceso λ mg de NOx/Nm3
02 después del (calculado) a la (a 10% de O2) Reduccióncalcinador en % salida de la cámara a la salida del en %
de combustión calcinador
3,2 1,24 291
2,2 0,87 176 40
aumenta con el contenido de volátiles enel carbón, así como si el combustible secambia al fuel-oil o gas natural. La tabla 5muestra los resultados de un sistemaSLC-S operando con fuel-oil equivalentea 480 kcal/kg de clínker en el calcinador.Al adquirir un nuevo sistema de horno conun calcinador de NOX bajo, o al convertirun calcinador existente, la emisión delNOX,Combust¡ble procedente del calcinadorpuede, dependiente del combustible, re-ducirse de forma significativa. Con fuel-oil disminuiría en un 30-50%.
El intervalo del factor de reducción rela-tiva es:R
6,térmico : O
R6, combustible
: 0-40% para fuel - oil.
2.7. Inyección de amoníaco (NH3).Probablemente, el medio más efectivopara reducir la emisión del NOX es la in-yección de NH3, que reacciona con el NOX
(véase figura 6). El NH3 se inyecta en elsistema del horno en un lugar adecuado,donde la temperatura es de
A. Formación y eliminación delNOX, combustible en el calcinador
N»+O-NO NO (1)NO +N Õ N
2 + 1/2 O
2(2)
B. La eliminación del NOX
inyectando NH3
SI T=950 + 50°CNH
3 + OH Õ NH
2 + H
2O (3)
NH2 + NO Õ N
2 + H
2O (4)
si T>1000oCNH
2 + O
2 Õ N
2 + H
2O (5)
la reacción (3) está occuriendode manera lenta
Figura 6. Reacciones quimicas.
900°C a 1000°C y el nivel de aire en ex-ceso A = 1,2. El sistema de inyección deamoníaco fue instalado en un horno concalcinador del tipo SLC-S de F.LSmidth &Co., de 5000 t/d (ref.2). El grado de utili-zación del NH3 está, como se muestra enla figura 7, alrededor de un 70% de la re-acción estequiométrica y el resultado dela reducción de la emisión del NOX,combustible
bie es de un 75%, aproximadamente,independiente del contenido de nitróge-no en el combustible aplicado.En hornos con precalentador de suspen-sión, el tipo SP, el uso de NH3 para la re-ducción del N0x,térmico proveniente delhorno hace necesario una división de laharina cruda, que cae al tubo ascendenteen dos flujos, una parte va al fondo y laotra parte va a la parte superior del citadotubo. Esta división es necesaria para es-tablecer una zona con la temperatura óp-tima. La posible reducción obtenible seráalgo más pequeña que en el calcinador,considerando que es difícil establecer unazona homogénea con la temperatura ópti-ma. No hay suficientes datos para estimarla reducción de una forma cuantitativa.El intervalo del factor de reducción rela-tiva es:R
7.térmico No está determinado todavía.
R7,combustible: 0-75%
2.8. RecombustiónEl N0x,térmico, formado en la llama durantela combustión en el horno, puede ser re-ducido a través de una recombustión conun combustible sólido con un alto conte-nido de compuestos volátiles, tales comohulla y lignito, o combustibles como fue-loil o gas natural, a una temperatura de1000-1200°C. El NOx,térm¡co de la primeracombustión reacciona con radicales deCH¡ y NH¡. La concentración de estas radi-cales aumenta cuando la concentracióndel oxígeno es reducida y el óptimo efec-to se obtiene bajo condiciones reduc-toras.En caso de un sistema de calcinador ILC,el paso de los gases del horno a travésdel calcinador ILC también plantea unarecombustión, que causa una reduccióntanto del contenido de N0x,térmico como dela formación de NOx,combustible
La figura 8 muestra la reducción tanto delN0x/térmico del horno como del NOX,tota| enun calcinador ILC, donde el combustible,hulla, está alimentado al calcinador antesde la entrada del aire terciario, creandoasí una pequeña zona con recombustiónbajo condiciones reductoras. En la figura9 se muestra la reducción del NOXitérmica
proveniente del horno en el tubo ascen-dente de un sistema SLC-S en función dela concentración de 02 a la salida de lazona de recombustión y la alimentaciónespecífica de fuel-oil a la zona derecombustión expresada como kcal/ kg declínker.
Figura 9. Reducción de NOX,térm¡co con recombustión de fuel-oil en el tuboascendente de un sistema SLC-S.Reducción de la emisión de NOX en función del contenido en % de O2 a lasalida de la zona de recombustión y la inyección específica de fuel-oil.
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NOx generated in the kiln NOx generated in the calcinador Emisión total de NOx
Figure 8. Reducción del NOx con recombustión de hulla en el calcinador ILC.
Relacón molar de NH3 / NOx inicial
Figura 7. Reducción del NOx con inyección de NH3
Sistema SLC-S de un horno con calcinador, 5.000 tpd.
Em
issi
ón
de
NO
x es
pec
ific
akg
de
NO
x/t
de c
linke
r
El intervalo del factor de reducción rela-tiva es:R8,térmico : 0-55%R8, combustible : El intervalo no está determi-nado.
El efecto RILC se debe parcialmente a unarecombustión y parcialmente a una com-bustión de alta temperatura.
3. Selección del método para reducción del NOX
Como se ha visto en las secciones ante-riores, existe un número determinado demétodos que sirven para reducir la emi-sión del NOX. Con miras a seleccionar lasolución mejor y más económica, es nece-sario realizar, en cada caso individual, unestudio completo de la fábrica, que incluyela operación del horno, el equipo actual-mente en uso, la calidad de las materiasprimas y el combustible, tomando en con-sideración la reducción necesaria del NOX
en el momento y con vistas al futuro.Los diferentes sistemas de hornos hansido clasificados en una de las cinco cate-gorías, que se muestran en la tabla 1,
donde también están indicados unos va-lores típicos de RILO Y y (1-Y). Como seobserva de las secciones anteriores, R,LC
consiste de una combinación del efectode recombustión sobre el NOX;térm¡co Ylos efectos de combustión a alta tempera-tura y también de la combustión escalo-nada sobre el NOx,combustible.Para estimar la reducción obtenible en laemisión, aplicando una u otra combina-ción de las 8 precauciones Z = 1,2,3....8,descritas en las secciones anteriores, esnecesario evaluar los factores de reduc-ción relativas Rz, obtenibles en cada casoparticular del NOx,térmica V del N0x,combustible,
respectivamente.
El NOX reducido, esperado después de laaplicación de las precauciones considera-das, se calcula según:
N0x,total = (Y x N0x,térmico x Πz=1,..8
(1-Rz,térmico
)+(1-Y) *
X NOX,combustible
X Πz=1,..8 (1-Rz,combustible))La tabla 6 muestra los intervalos de Rz delN0x,térmico y del NOx,combustible definidos se-
gún los métodos explicados en las seccio-nes anteriores.Por cada categoría de hornos, la aplicabili-dad de los distintos métodos para reduc-ción del NOX va ilustrada en la tabla 6,donde «AC» significa que el método pro-bablemente sea aplicable siempre que seefectúen algunos cambios de menor en-vergadura, y «NA» significa que el méto-do no es aplicable en el tipo de sistemade horno pertinente.Suponiendo que el N0x,térmico « N0x,com.bustibie, la tabla 6 también indicaaproximadamente el intervalo de reduc-ciones obtenibles aplicando cada una delas 8 precauciones individualmente paralas cinco categorías de sistemas de hor-nos definidas en la tabla 1.La óptima solución consiste en la aplica-ción de la precaución o la combinaciónde precauciones, que asegura la reduc-ción necesaria de la emisión del NOX y, almismo tiempo, implica la mínima compli-cación del proceso.Todas las evaluaciones están basadas enpruebas a escala industrial o en resulta-dos de mediciones realizadas en hornosdonde se utilizan los diferentes métodos.
Tabla 6. Normas de orientación para reducción del NOX
Cambio de la CombustiónTipo de quemabilidad cambio del a alta tempe
A) NOx y de la harina quemador tipo de ratura en el Combustión Inyección RecomB) horno cruda Fuzzy II Centrax combustible calcinador en dos fases de NO3 bustion
% R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8NOx,t 0-30 0-30 0-15 0-15 NE 0-55NOX,C NE 0-80* 0-40** 0-40*** 0-75 NE
1 0-30 0-30 0-15 0-15 NA NA NA NA2 0-30 0-30 0-15 0-15 NA NA AC AC3 0-20 0-20 0-12 0-15* AC AC AC AC4 0-9 0-9» 0-5 0-55* 0-25** 0-25*** 0-75 0-205 0-10 0-10" 0-6 0-50* 0-25** 0-25*** 0-45 0-20
NE= No estimado, AC = algunos cambios requeridos, NA=no aplicableNOx,t= NOx,térmico, NOX,C = NOX,combustible
(*) El valor máximo indicado es por un cambio de coque de petróleo a fuel-oil.(**) Una reducción en un 10-15% por cada 100°C que se aumenta la temperatura.(***) El valor máximo depende del combustible y el 40% es para fuel-oil.(») Sin incluir el efecto esperado del manejo automático del calcinador.
4. Referencias.1. Nielsen, Peter Bechtoft «Emisión de
S02 y NOX de hornos modernos decemento en relación con las futurasregulaciones gubernamentales».Cemento-Hormigón, núm. 699.,Nov.1991,p.1361ff.
2. Thomsen, K. & Hundeb0l, S.«N0x-reduction by ¡njectingammonia into cement kiln systems».Zement-Kalk-Gips, núm. 5/1992,p.231-237.
3. Castillo, Fernando Béseos del«Control de las emisiones de NOX
en una planta de cemento, utilizan-do sistemas expertos basados enlógica difusa.»Comunicación al II coloquios deDirectores y Técnicos de Fábricasde Cemento organizado por Cemen-to-Hormigón, revista técnica,Barcelona, 9-11 noviembre 1993.
4. Thomsen, KentNOX reduction,a systematic approach.Proceedings VDZ Conference,Düsseldorf 27/9-1/10/1993.
Reducing NOx emissionBy Kent Thomsen and Peter Rosholm
F. LSmidth & Co. A/S,Vigerslev Allé 77, DK-2500 Valby
1. IntroductionThe limits for NOX emission are becom-ing increasingly strict.Since March 1994 the limits for NOXemission in Germany have been:500 mg NO2/Nm3 (X) for new plants 800mg N02/Nm3 (x) for existing plants(x) the values refer to 10% (vol.) oxygen.Other European countries will probablysoon use similar emission limits. Kilnsystems can be classified in five cate-gories, as shown in table I.The kiln cate-gories 1, 2 and 3 can be equipped witha planetary cooler or a grate cooler, whilekilns in categories 4 and 5 with tertiaryair duct are always equipped with gratecoolers.Figure 1 shows typical emissions ofsome of the kiln categories defined intable 1. Measurements from kilns in cat-egory 2 are classified according to coolertype and for category 4, NOX measure-ments from ILC kilns with by-pass areincluded. This also shows typical NOXcontent in kiln exit gas and in gases fromSLC or SLC-S calciner.
Reducing NOx emissionBy Kent Thomsen and Peter Rosholm
F. LSmidth & Co. A/S, Vigerslev Allé 77, DK-2500 Valby
The measurements in figure 1 show thatmany existing plants do not fulfil the newGerman limits.These plants are likely to needmodifying the process to reduce the NOXemission. There is a distinction betweenNOx-thermic and NOxcombustible (ref-1):
NOx_thermic is formed in the burning zoneof the kiln due to high temperatures anddepends on the following factors or con-ditions:1. The burnability of the raw meal, whichdetermines the temperature required inthe kiln burning zone to obtain an ac-ceptable level of free lime in the clinker.2. The kiln operation, especially with re-gard to control of free lime and excessair level.
A = Applicable, N A = Not applicableRILC = Relative reduction of N0x/totai caused by the passage of the kiln gases through the ILC calciner.Y = The percentage of kiln gases compared to the total exit gases from the system.(1 - Y) = The percentage of gases from the calciner compared to the total exit gases from the system.
Table 1. Categories of kiln systems
Cooler Typical values
No Category Grate Planetary RILC Y (1-Y)
1. Long dry and wet kilns A A 0% 1.0 0
2. Suspension preheater (SP) kilns A A 0% 1.0 0
3. SP kilns with riser duct firing and calciner kilns without tertiary air duct A A 0-25% 0.8 0.2
4. ILC kilns (with calciner integrated in the riser duct and with tertiary air duct) A NA 0-55% 0.4 0.6
5. SLC y SLC-S kilns (with separated calciners and tertiary air duct) A NA 0 0.4 0.6
Figura 1. Emisión de NOX de los diferentes sistemas de hornos
Group orcategory
Cooler
by pass
Germanlimits
Existingplants
Newplants
mg
de
NO
x/N
m3 (1
0% d
e O
2)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
- - - - + -
X + SXX - S
2 3 4 5
grate planetary planetary gate gate gate
NOx,thermic
from kiln
NOx,combustible
from SLC orSLC-S calciners
3. The burner and its adjustment whichtogether with the combustibles determinethe flame and level of primary air.
NOx.combUstibie is formed in the calciner atrelatively low temperature due to the con-tent of nitrogen in the combustible anddepends on the following factors and con-ditions:
4. The properties and chemical composi-tion of the combustible, especially its con-tent of nitrogen and volatiles.
5. The temperature in the calciner.
6. The combustion conditions, especiallythe stoichiometric relation between com-bustion air and combustibles which deter-mines whether the conditions are oxidiz-ing or reducing.
The total emission, N0x_totai, includes con-tributions from NCVthermic and N0x.combust.ibie weighted with the proportion Y of kilnexit gases and the proportion (1-Y) of cal-ciner gases, respectively. When kiln gasespass an ILC calciner (categories 3 and 4in table 1) recombustion RILC may occur,reducing N0x_totai compared to other sys-tems (categories 1, 2 and 5 in table 1)where R|LC = 0.
The N0x_totai emission is estimated by thefollowing formula:
N0x_tota | =
(Y X N0x_thermic + (1 - Y) X N0x_cornbustible)
X(1-R|LC) (A)
Figure 1 shows typical N0x-thermic andN0x_combustib|e values. Typical values of Yand (1 -Y) together with the R|LC intervalsare shown in table 1.
Example
In an SLC or SLC-S system it is possibleto measure the N0x-thermic in the riser ductand the N0x,combustible after the calciner.
Using the average values for N0x-thermic andN0x,combustible from figure 1 and trie Y valuefrom table 1, N0x
-
total emission is calculatedas follows:NOx-total = 0.4 X 885 + 0.6 X 1080 =1000 mg of N0x/Nm3 (10% of 02)
In an ILC system it is possible to measureN0x-thermic in the riser duct and N0x
-
total in thegases leaving the preheater, but it is notpossible to measure N0x,combustible. Using theaverage values of N0x-total for ILC kilns fromfigure 1 and the value of Y from table 1,the effect (1-R|LC) of the ILC system canbe calculated and compared to that of theSLC system previously calculated accord-ing to 450 = 1000X(1-RILC) RILC = 0.55
The efforts to reduce the NOX emissioncan be divided into primary (P) and se-condary (S) measures. Primary measures,minimizing the formation of NOX in thesystem, mean optimizing 1, 2 and 3 withregard to formation of NOx_thermic and 4,5 and 6 with regard to formation ofN0x,combustible.
The secondary measures, eliminatingNOX-thermic in the riser duct from kiln topreheater and NOx,combustible in the outlet ofthe calciner, comprise the following: 7Injection of ammonia, urea or similar. 8.Recombustion.
To ensure that new plants comply strictlywith the emission limits and that exist-ing plants reduce emissions to an ac-ceptable level. F.L Smidth has partici-pated in the technological developmentof reducing NOX emission in the follow-ing areas:
A. Improvement of mechanical designsuch as:
1 Calciners with combustion at hightemperatures as well as staged com-bustion with substoichiometric condi-tions.
2 Low primary air burners and burnersfor recombustion in the riser ductfrom kiln to preheater (ref.1).
B. Reduction of NOX by injecting ammo-nia into the calciner (ref. 2).
C Improved methods of automatic oper-ation and control of the kiln, whereminimizing NOX emission is part ofthe control strategy (ref. 3).
This article summarizes the experiencegained from the different methods of NOXreduction and considers the prospectsof the individual methods.
2. Methods of NOX reduction
Table 2 shows, schematically, thedifferent methods available (A = appli-cable, NA = not applicable) for NOX re-duction and their application to the 2types of NOX.
The NOXiZ (z = thermic or combustible)reducing effect of the eight available me-thods m (m = 1, 2, 3 ...8) is evaluated bythe relative reduction factor Rmz, defined
as:
Rm,z
= (NOX,Z before - NOX,Z after)/ (NOX,Z before
1 - Rm,z = NOX/Z after/NOX,Z before (B)
If various methods are applied simulta-neously, the total relative reduction fac-tor can be calculated as:
1-Rtotal,z
= (1 - R1,z) X ... X
(1-R8,z) (C)
If the method m is not applicable, then
Rm,z
=0.
Table 2. NOX reduction methods
No. Method Nox,thermic Nox, Combustible
P S P S
1. Change of raw mix burnability A NA2. Kiln computer control - Fuzzy II A (A)3. Centrax Burner- low primary air burner A NA4. Change of fuel type (A) A5. High temperature combustion in the calciner NA A6. Staged combustion in the calciner NA A7. Ammonia (NH3) injection (A) A8. Recombustion A (A)
A ApplicableNA Not Applicable(A) The method could be applicable but experience is not sufficient to estimate
the effect quantitatively.P Primary measure to reduce the formation of NOx.S Secondary measure to eliminae the NOx already formed in the process.
The emission after applying one or anycombination of the measures, is estimatedaccording to:NOx.total = (Y x N0x.thermic
X 0 - Rtotal.thermic
) + 0 “ Y)
X N0x.combustible
X (1 - Rtotal.combustible/
))
X(1-RILC
) (D)
In the following, the maximum obtainablevalue of the relative reduction factor,max(Rm z) for the eight methods mentio-ned is evaluated, thus defining an inter-val of possible reductions for eachmethod.
2.1 Change in burnabilityof raw meal
Improving the burnability of the raw mealresults in decreased temperature in theburning zone which again reduces the for-mation of N0x.thermic. In some cases wherethe mixture of raw meal has been modi-fied, adding fluxes and mineralizingagents, the estimated reduction ofNOx.thermic is up to 30% in the emissiongases from the flame of the rotary kiln.The interval of the relative reduction fac-tor is:RLthermic 0-30% Rl.combustible 0
2.2 Computerized controlprogram - Fuzzy II
Fuzzy II is a control system for automaticcontrol of the kiln which ensures optimumquality of the clinker and maintains anadequate temperature in the burning zone,thereby avoiding everburning of the clin-ker. Furthermore, Fuzzy II controls theformation of N0x.thermic ‘n the rotary kiln,keeping the excess air at a minimum, andavoiding an unacceptable emission of COby comparing CO, NOX and 02, measuredat the kiln inlet. The lower average excessair level and the lower temperature of theburning zone contribute to a reduction ofup to 30% of the N0x.ther-mic emission fromthe flame of the rotary kiln.
The design and control of the low NOX
calciners is complicated. The temperatureprofile is controlled by the raw meal distri-bution and the conditions of the stagedcombustion are controlled by the tertiaryair split. It is, therefore, to be expected thatautomatic operation and control couldmaintain the conditions of the calci-nerclose to the optimum conditions, resultingin a minimum formation of NOX. combus-tible-The forthcoming commissioning of anautomatic control system will result inmore precise data, enabling a quantita-tive evaluation of the relative reduction ofthe N0x.combustlbie emission.The interval of the relative reduction fac-tor is:R2,therm,c 0-30%R2,combustibie the interval is not defined2.3 Low primary air burnerThe reduced formation of NOx.thermic in thistype of burner is partly due to a more evenflow without peaks of high temperatureand partly due to the configuration of theflame which creates a locally reducing at-mosphere. The lower consumption ofheat, kcal/kg clinker, also contributes todecreasing the N0x.thermic. The low primaryair Centrax burner from F.L. Smidth wasinstalled in a kiln with 4000 tpd precalcinerand a kiln with 1200 tpd suspensionprecalciner. The figures are shown in table3. The reduction of the NOX emission is15% for the kiln with suspensionprecalciner and 8% for the kiln
with calciner, without significant changesin the clinker quality. Furthermore, a smallsaving of combustibles in both kilns wasgained.Due to the installation of a low primary airburner a reduction of NOx.thermic up to 15%compared to conventional burners couldbe expected.The interval of the relative reduction fac-tor is:R3,thermic 0-15%R3.combustible 0
2.4 Change of combustibleThe formation of NOx.thermic in the mainburner is not dependent on the nitrogencontent in the combustible but dependson the flame temperature. The tempera-ture of a fuel oil flame and especially of aflame from natural gas is normally higherthan that of a coal flame. Therefore, thesecombustibles tend to create moreNOx.thermic
In kilns with precalciners it is possible toobtain a considerable reduction of NOX.combustible from the calciner by changing thetype of combustible to a type with less ni-trogen content. The N0x,combustible from thecalciner is related to the type of combus-tible and the combustion rate. The forma-tion of N0x,combustible increases when usingpetroleum coke and gradually reduceswhen using bituminous coal, lignite, fueloil or gas. In the SLC-S system theN0x,combustible from the calciner is reduced byup to 82% when changing from petroleumcoke to fuel oil, see table 4.The interval of the relative reduction fac-tor is:R
4, thermic 0-15%
R4.combustible
0-82% for fuel oil and
0-100% for gas
Table 3. NOX Reduction with low primary air burners
SP kilns SLC-S kilns
Before After Before After
Production, in t/d 1200 1275 4000 4000
Primary air, in % of Amin
11.3 3.7 10.5 3.6
Total fuel consumption in kcal/kg clinker 813 790 1030 1020
NOX in chimney in mg/Nm3 at 10% O2 902 769 1117 1025
Free CaO in clinker 1.3 1.3 1.53 1.65
Tabla 4.Reduction of NOx when changing from petroleum coke to fuel oil
mg/Nm3de N in
Combustible NOx-calciner combustible, N converted Reductional 10% O
2in % to NO
x, en % del NO
x, in %
Petroleum coke 1650 1.59 73
Fuel oil 300 0.30 69 82
2.5 Combustion at hightemperatures in the calciner
The FLS calciners ILC and SLC-S oper-ating with staged combustion in twophases as well as high temperature, areshown in figures 2 and 3. As seen moredetailed in figure 4, the raw meal feed isdivided into two or three flows. The hightemperature in the low part of the calcineris obtained by leading part of the feed tothe outlet of the calciner or to the riserduct. In the calciner two different pro-cesses which affect the N0x-combustible takeplace. One forms the NOx-combustible fromthe nitrogen of the combustible “N” andthe other eliminates the N0x-combustible (see(1) and (2) in figure 6). As the velocity ofthe process (2) of elimination increasesfaster with the temperature than that offormation (1), an elevated temperatureof combustion in the calciner causes theN0x-combustible to diminish.In a low NOX SLC-S calciner (see fig-ures 3 and 4) designed to burn petro-leum coke equivalent to 480 kcal/kg clin-ker at high temperature in the combus-tion chamber and with a temperature ofapprox. 900°C after the calciner, a re-duction of N0x-combustible by up to 40% hasbeen observed with an increase of thetemperature at the outlet of the combus-tion chamber to 1150-1200°C.The reduction of NOx-combustibleas a function of the temperatureat the outlet of the combustionchamber is shown in figure 5. It isseen that if the temperature is increasedby approx. 100°C,NOX can be reduced by 10-15%.The maximum temperature in thecalciner is determined by the fusibility ofthe coal ash or the formation of the liq-uid phase in the raw meal and, gener-ally, it does not exceed 1200°C
The interval of the relative reductionfactor is:R
5.thermic 0
Rx-combustible: 0-40% or 10-15% for each100°C increase of temperature.
Figure 3. Low NOX SLC-S calciner, sub-stoichiometric combustion, with hightemperatures in the lowest combustion chamber.Because the feed can be divided between calciner and riser duct, high tem-perature operation of the upper calciner can be obtained too. The system isprovided with recombustion burners in the riser duct.
Figure 2. Low NOx ILC calciner, sub-stoichiometric combustion, with hightemperatures in the lowest combustion chamber.
Oxidizing zone
Reducing zone
Oxdizing zone
Reducing zone
Figure 4. Low NOX SLC-S calcinerwith combustion chamber and split ofthe raw meal feed to the riser duct,the combustion chamber and theupper calciner chamber, respectively,in order to obtain high temperaturecombustion in the combustionchamber.The tertiary air is divided into twoflows to obtain 2-staged combustion.
2.6 Staged combustion in two steps in the calcinerIn the low NOX calciner designed forstaged combustion in two steps, thetertiary air is divided into two flows andled to each of the two sections of thecalciner, see figures 2, 3 and 4. All thecombustible is fed in the lower section,but not all the tertiary air, thus creating azone of reducing conditions in thecombustion chamber. See figures 2 and3. The remaining tertiary air is led to theupper section, creating an oxidizingzone. Apart from the combustion airlevel (A<1.0) the obtainable reduction ofNOX. combustible, caused by the stagedcombustion in two steps, depends onthe type of combustible and increaseswith the content of volatile matter in thecoal. The same will occur if the combus-tible is changed to fuel oil or natural gas.
Table 5 shows the results of the SLC-Ssystem operating with fuel oil corres-ponding to 480 kcal/kg clinker in thecalciner.When installing a new kiln system with alow NOX calciner or when modernizingan existing calciner, the emission ofNOX_ combustible from the calciner canbe considerably reduced, depending onthe combustibles. With fuel oil a reduc-tion of 30-50% is possible.The interval of the relative reductionfactor is:°6,thermio 0Re.combustibie: 0-40% for fuel oil2.7 Injection of ammonia (NH3)The most effective method of reducingthe emission of NOX is probably to injectNH3 which reacts with the NOX (seefigure 6). The NH3 is injected into thekiln system at a location where thetemperature is 900-1000°C and theexcess air level A = 1.2. The ammoniainjection
A. Formation and elimination ofNOx, combustible in the calciner
“N“ + O → NO (1)NO + “N“ → N2 + 1/2 O2 (2)
B. Elimination of NOx injecting NH3
If T = 950 ± 50oC
NH3 = OH → NH2 + H2 O (3)
NH2 = NO → N2 + H2 O (4)
If T > 1000oC
NH2 = O2 → NO + H2O (5)
If T < 900oC
the reaction (3) will be slow
Figure 6. Chemical reactions
Per
cen
t NO
x re
du
ctio
n
Temperature of the exit gas from the combustion chamber in °C
Figura 5. Reduction of NOX,combustible from the calciner (mg of NOx/Nm3 at 10%of O2) as a function of the temperature at the outlet of the combustionchamber in a 2-stage SLC-S calciner.
Tabla 5. Reduction of NOX by staged combustion
Excess air λ mg de NOx/Nm3
02 after the (calculated) in (at 10% de O2) Reductioncalciner in % the outlet of the at the outlet of in %
combustion chamber the calciner
3.2 1.24 291
2.2 0.87 176 40
system was installed in a 5000 tpd kiln withcalciner, type SLC-S from FLS (ref. 2). Thedegree of utilization of NH3 is approx. 70%of the stoichiometric NH3/N03 relation asshown in figure 7. In practice the emis-sion of NOx.combustib|e can be reduced byapprox. 75%, independent of the contentof nitrogen in the combustibles applied.In SP kilns the use of NH3 for reducingthe N0x_thermic from the kiln, requires adivision of the raw meal fed into the riserduct in two flows, one flow to the bottompart and the other flow to the upper part ofthe riser duct. This division is necessaryto establish a zone with optimum tempera-ture. The possible reduction obtained willbe inferior to that in the calciner, becauseit is difficult to maintain a homogeneouszone with optimum temperature. There isnot sufficient data yet to estimate the re-duction.
The interval of the relative reductionfactor is:
R7,thermic
: Not determined yet.
R7,combustible
: 0-75%
2.8 RecombustionThe NOx-thermic formed in the flame duringcombustion could be reduced through arecombustion process using a solid com-bustible with a high content of volatilematter, such as bituminous coal and lig-nite, or fuel oil or natural gas, at a tem-perature of 1000-1200°C The N0x-thermic
from the primary combustion reacts withradicals, CHj and NHj.The concentrationof these radicals increases when the con-centration of oxygen is reduced and theoptimum effect is gained under reducingconditions.In an ILC calciner system the passage ofthe gas from the kiln through the ILC cal-ciner also comprises recombustion whichreduces the N0x-thermic content and the for-mation of NOx, combustible Figure 8 shows thereduction of N00x-thermic from the kiln andN0x_total in an ILC calciner where the com-bustible, bituminous coal, is fed to thecalciner before the tertiary air inlet, thuscreating a small zone of recombustionunder reducing conditions. Figure 9 showsthe reduction of the NO0x-thermic formed inthe kiln by recombustion in the riser ductof an SLC-S system as a function of 02 atthe outlet of the recombustion zone andthe specific feed of fuel oil to therecombustion zone expressed in kcal/kgclinker.The interval of the relative reduction fac-tor is:R8-thermic : 0-55%R8-combustible :The interval is not determined.
The effect R,LC is partly due to recombus-tion and partly due to combustion athigh temperatures.
Initial molar ratio NH3/NOx
Figure 7. NOx reduction by injection of NH3 in SLC-S kiln with calciner,5000 tpd
NO
x re
du
ctio
nS
pec
iffi
c N
Ox
emis
sio
nin
kg
NO
x/t c
linke
r
Sp
effi
c N
Ox
emis
sio
nin
kg
NO
x/t c
liner
NOx generated in the kiln NOx generated in the calciner total NOx emission
Figure 8. NOx reduction with recombustion of bituminous coal in an ILCcalciner.
Per cent O2 at the outlet o fthe recombustion zone
Figure 9. Reduction of NOx,thermic with recombustion of fuel oil in the riser duct in anSLC-S system.
Reduction of the NOx emission as a function of the content of O2 in per cent at theoutlet of the recombustion zone and the specific injection of fuel oil
3. Selection of NOX reducing methodAs seen from the above, there are differ-ent methods of reducing the emission ofNOX. When deciding the most effectiveand most economical solution it is necess-ary to undertake a specific study of theplant, including kiln operation, operatingequipment, quality of raw materials andcombustibles, and the necessary reduc-tion of NOX at present and in the future.The different kiln systems have been clas-sified in the five categories shown in table1, also indicating typical values of RILC , Yand (1 - Y). As stated above R,LC is a com-bination of the effect of recombus-tion ofNOx_thermic as well as the combined ef-fect of combustion at high temperaturesand staged combustion on the
l\IUx-combustible-
To estimate the obtainable reduction ofthe emission, using a combination of theeight possibilities Z = 1, 2, 3... 8,described above, it is necessary toevaluate the relative reduction factorsRz, obtainable for ic and N0x.combustibie,respectively.The reduced NOX, expected after usingthe considered methods, is calculatedas: N0x_totai= [Y x N0x.thermic
xnz=l..8(1-Rz.thermic) + (1-Y)X N0x_combustible
X nz=i, ..8 0 ~ Rz-combustible)]
x(1-RiLc)Table 6 shows the intervals Rz ofN0x_ther-mic and N Ox_Combustibie,defined according to the methodsexplained above. The usefulness of the
different methods of reducing NOX foreach kiln type is illus-trated in table 6. “AC” means that themethod is probably applicable withminor changes and “NA” means themethod cannot be applied to the kilnsystem in question.Supposing N0x.thermic ̂ N0x.combustibie,table 6 also indicates the approximateinterval of reductions obtainable byapplying each of the eight possibilities tothe five categories of kiln systemsdefined in table 1.The optimum solution is to adopt themethod or the combination of methodswhich ensures the necessary reductionof NOX emission and at the same timeentails minimum complication of theprocess.These considerations are based onindustrial scale tests or results from kilnswhere the different methods are applied.
4. References1. Bechtoft Nielsen, Peter “Emisión de
S02 y NOX de hornos mo-dernos decemento en relación con las futurasregulaciones gubernamen-tales”.Cemento-Hormigón No. 699., Nov.1991,p.1361ff.
2. Thomsen, K. & Hundebøl, S.“N0x-reduction by injecting ammoniainto cement kiln systems”. Zement-Kalk-Gips No. 5/1992, p.231-237
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4. Thomsen, KentNOX reduction, a systematic ap-proach. Proceedings VDZ Confer-ence, Düssel-dorf 27/9 til 1/10/1993.
N E = Not estimated, AC = some changes required, NA = not applicableNOx/t = NOx/thermic, NOX,C = NOX,combustible
(*) Max. value indicated when changing from petroleum coke to fuel oil.(**) Reduction of about 10-15% for each 100°C temperature increase.(***) The max. value depends on the combustible and 40% is for fuel oil.(>>) Without including the anticipated effect of an automatic control and operation of the calciner.
Tabla 6. Guidelines for NOx reduction
typeA) NOx Change of High temp.
and raw mix centrax Change of combustion 2-stage NO3 RecomB) kiln burnability Fuzzy III burner fuel type in calciner combustion injection bustion
% R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8NOx,t 0-30 0-30 0-15 0-15 NE 0-55NOX,C NE 0-80* 0-40** 0-40*** 0-75 NE
1 0-30 0-30 0-15 0-15 NA NA NA NA2 0-30 0-30 0-15 0-15 NA NA AC AC3 0-20 0-20 0-12 0-15* AC AC AC AC4 0-9 0-9» 0-5 0-55* 0-25** 0-25*** 0-75 0-205 0-10 0-10" 0-6 0-50* 0-25** 0-25*** 0-45 0-20
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DENMARKF. L.Smidth & Co. A/SVigerslev Allé 77DK-2500Valby, CopenhagenTelex: 27040 fisco dkTelephone: +45-36 18 10 00Telefax:+45-36 3018 20
FULLER COMPANY:USAFULLER COMPANY2040 Avenue CBethlehem, Pennsylvania18017-2188Telegrams: colfullerTelex: 173189Telephone: +1-610-264-6011Telefax: +1-610-264-6170
F. L.SMIDTH & FULLERSUBSIDIARIES ANDREPRESENTATIVE OFFICES:AUSTRALIAFULLER-F.L.SMIDTH (PACIFIC) PTY.LTD.Level 4156 Pacific HighwayGreenwich, N.S.W. 2065Telex: 790-21693Telephone: +61-2-439-8177Telefax: +61-2-436-3886
BRAZILF. L.SMIDTHCOMÉRCIO E INDÚSTRIA LTDA.Rua Nebraska, 443Brooklin Paulista-CEP 04560Caixa Postal 350601051 SãoPaulo-SPTelegrams: folasmidthTelex: 1157399 fisb brTelephone: +55-11-536-8500Telefax:+55-11-5339612
CANADAFULLER - F. L.SMIDTH CANADALIMITED10,Thornmount DriveScarborough, Ontario M1B 3J4Telex: 369-6525173Telephone: +1-416-284-8200Telefax: +1-416-284-8348
FULLER -F. L.SMIDTH CANADALIMITED3300 Cavendish BoulevardMontreal, Quebec H4B 2M8Telex: 369-5566304Telephone: +1-514-489-9311Telefax: +1-514-485-9188
CHILEFuller-F. L Smidth MineralProcessing Ltda.Napoleon 3037, Of. 41-42SantiagoTelephone: +56-2-2339299Telefax: +56-2-2339472
FEDERAL REPUBLIC OFGERMANYF. L.SMIDTH - FULLER GMBHNiederkasseler Lohweg 840547 DüsseldorfTelex: 841-8585552 fisd dTelephone: +49-211-591-038Telefax:+49-211-593-223
FRANCEF. L.SMIDTH - FULLER S.A.2/4 rue Vincent van GoghF-93364 Neuilly-Plaisance CédexTelex: 233597Telephone: +33-1-4944-6800Telefax: +33-1-4308-5099 +33-1-4308-5188
INDONESIAMr. Jan Erdmannc/o P.T. Fajar Laksana SejahteraSuite 2107, Gedung BRI IIJl.Jendral Sudirman 44-46Jakarta 10210, IndonesiaTelephone: +62-21-251-2738
+62-21-251-2739Telefax: +62-21-251-2740
ITALYF. L.SMIDTH & C. ITALIANA S.r.L.Via G. Marconi, 20Valbrembo BergamoPostal address:P.O. Box 1431-24100 BergamoTelex: 300578Telephone: +39-35-46 8311Telefax: +39-35-46 08 38
JAPANF.L.Smidth & Co. Japan Ltd.Shibakoen Ridge Bldg.1-8-21, Shibakoen Minato-KuPostal address:Shiba P.O. Box 03Tokyo 105Telegrams: folasmidthTelephone: +81-3-3578-0541Telefax: +81-3-3578-0548
MEXICOF. L.SMIDTH - FULLER MEXICO,S.A. de C.VAv. Lázaro Cárdenas No. 2400Edificio Losoles, Piso 4, despacho No. B41C.P. 66260San Pedro Garza Garcia, N.L.MexicoTelephone: +52-836-33150Telefax: +52-836-33421
P.R. CHINAF. L.Smidth & Co. A/SBeijing Representative OfficeLast Lake Office Building, 5th Floor35 Dong Zhi Men Wai DajieBeijing 100027Telegrams: folasmidthTelex: 22724 fisco cnTelephone: +86-10-4677070Telefax: +86-10-4677071
REPUBLIC OF KOREAFuller International, Inc.Independent Sales OfficeMace Company202 Seorim Building 1552-17Seocho-Dong Seochu-KSeoul, 137-073Telex: K 24552Telephone: +82-2-587-8672Telefax:+82-2-587-4976
SOUTH AFRICAFULLER - F. L.SMIDTH (PTY) LTD.Block ‘D’Hurlingham Office Parkcnr. Willeam Nicol Drive &Repulic RoadP.O. Box 50216Randburg 2125Telephone: +27-11-781-0600Telefax: +27-11-781-0635
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THAILANDMr. Anders Bechc/o Mitsiam International, Limited15th & 16th Floor, Sathorn City Tower175 South Sathorn Road, TungmahamekSathorn Bangkok 10120, ThailandP. O. Box 870Telex: 82362 bussan th, 21002 mitsiam thTelephone: +66-2-285-1020Telefax: +66-2-285-1968-9
TURKEYF.L.Smidth & Co. A/S.Liaison Officec/o TrakmakTraktörve Makine Ticaret Ltd. SirketiIsmet Inönü Cad.Mithat Pasa Han. 92-9480090 Gümüssuyu, IstanbulTelephone: +90-212-251-13-31Direct line: +90-212-251-51-65Telefax: +90-212-251-62-82
UNITED KINGDOMF. L.SMIDTH - FULLER LTD.17, Lansdowne RoadCroydon, CR9 2JTTelegrams: folasmidthTelex: 264021 fiscro gTelephone: +44-81-686-2422Telefax: +44-81-681-7229
LICENSEES/JOINT VENTURES:FRANCEAMECO S.A.Rue Gutenberg - Z.I.F-68170 RixheimTelex: 881892 ameco fTelephone: +33-89 65 5211Telefax: +33-89 65 56 24
USAAMECO North AmericaP.O. Box 200183869 Griffin RoadCartersville, GA 30120Telex: 881-892Telephone: +1-404-336-5030Telefax: +1-404-336-5400
INDIALarsen &Toubro Ltd.(Licensee)Cement Machinery DivisionPowai WorksP. O. Box 8901Bombay 400072Telegrams: powaiworksTelex: 117-1698 Itgw in
117-1693 Itpw inTelephone: +91-22-5781401Telefax:+91-22-5783437
FULLER-K.C.P. LTD.(Joint Venture)Ramakrishna Building2, De. PV. Cheeian CrescentMadras 600 105Telex: fkay in 41-7596Telephone: +91-44-8276030 +91-44-8276343 +91-44-8272121Telefax: +91-44-8279393
FLS AUTOMATION:DENMARKFLS Automation A/SHøffdingsvej 77DK-2500 ValbyCopenhagenTelex: 16416 flsad dkTelephone: +45-36 18 27 00Telefax:+45-36 18 27 99
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Jawo Handling ApSEgelund A 20P.O. Box 46DK-6200 AabenraaTelephone: +45-74 62 64 36Telefax:+45-74 62 0136
FRANCEFLS Automation S.A.2/4 rue Vincent van GoghF-93364 Neuilly-Plaisance Cédex
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USAFLS Automation Inc.309 International CircleSuite 140Hunt ValleyMD 21030Telephone: +1-410-771-0850Telefax: +1-410-771-9062
FLS-FULLER BULK HANDLING:USAFuller-Kovako Corporation2158 Avenue CBethlehem, Pennsylvania18017-2188Telex: 173189Telephone: +1-610-264-6055Telefax: +1-610-264-6735
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HONG KONGFuller-Kovako Asia Limited15A, Tower l, Tern Centre237 Queen’s Roda CentralHong KongTelephone: +852 280 51119Telefax:+852 285 40858
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Kemutec Group Ltd.Manufacturing FacilityCumberland House,Marsh RoadBristol BS3 2NATelephone: +44-127-266-4041Telefax: +44-127-266-1445
Kemutec Group Ltd.Manufacturing FacilityMiddlewaySt BlazeyParCornwall PL24 2JUTelephone:+44-172-681-2201Telefax:+44-172-681-2922
VENTOMATIC:Export sales officeSWITZERLANDVentomatic SAVia Carlo Pasta 3/aPal. CesarinoCH-6850 MendrisioTelephone: +4191-646 88 58 / 59Telefax:+4191-646 59 81
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