水泥企業(yè)氮氧化物減排的兩種技術(shù)措施及實(shí)踐

尹國明

水泥企業(yè)氮氧化物減排的兩種技術(shù)措施及實(shí)踐

尹國明

本文主要介紹了水泥企業(yè)兩種氮氧化物減排技術(shù)（SNCR技術(shù)與燃料分級(jí)燃燒技術(shù)）的技術(shù)原理和具體實(shí)踐。在不同的條件下，兩種脫硝技術(shù)都取得了很好的效果，不但使水泥企業(yè)的廢氣排放達(dá)到《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的大氣污染物特別排放限值要求，而且通過合理的技術(shù)組合和優(yōu)化降低了企業(yè)的環(huán)保運(yùn)行成本，為水泥企業(yè)氮氧化物減排提供了更多的技術(shù)選擇與參考。另外，燃料分級(jí)燃燒技術(shù)還具有脫硫效應(yīng)，合理利用燃料分級(jí)燃燒的脫硫效應(yīng)可降低水泥窯的硫氧化物的排放，也為需要控硫的水泥企業(yè)提供了新的思路。

水泥企業(yè)氮氧化物減排；SNCR；分級(jí)燃燒技術(shù)

1　引言

2011年我國水泥行業(yè)氮氧化物排放總量約220萬噸，約占我國工業(yè)氮氧化物排放總量的10%，僅次于火力發(fā)電和機(jī)動(dòng)車尾氣排放，位居第三。氮氧化物的排放問題已經(jīng)成為制約我國水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的因素之一。在“十二五”規(guī)劃中，2015年氮氧化物排放總量的控制目標(biāo)比2010年下降10%?，F(xiàn)行的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，一般地區(qū)NOX的排放指標(biāo)濃度控制在400mg/m3以下，重點(diǎn)區(qū)域控制在320mg/m3以下。因此，水泥行業(yè)開展氮氧化物減排工作已成為必然。

水泥行業(yè)可行的NOX控制措施可分為一次措施和二次措施。一次措施指通過生產(chǎn)工藝或原（燃）料的改變，如低NOx燃燒器、分解爐分級(jí)燃燒、工藝優(yōu)化控制、添加礦化劑、燃料替代等，減少NOX的產(chǎn)生。采取這些綜合措施后，大約可降低20%～30%的NOX排放量，相應(yīng)NOX排放濃度可降至600～700mg/m3。二次措施是指末端治理措施，包括選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)、選擇性催化還原（SCR）技術(shù)、SNCR-SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)等煙氣脫硝措施，其中SNCR是目前比較成熟可行的技術(shù)，脫硝效率一般為40%～60%。

2　SNCR降低NOX原理及實(shí)踐

2.1SNCR的原理

選擇性非催化還原（簡稱SNCR）是指無催化劑的作用下，在適合脫硝反應(yīng)的“溫度窗口”內(nèi)噴入還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮?dú)夂退?。因其投資成本低、運(yùn)行可靠，在水泥行業(yè)被廣泛運(yùn)用。該技術(shù)在水泥窯實(shí)施過程中，一般以氨水或尿素溶液作為還原劑，在分解爐的合適位置噴入，噴入的還原劑在煙氣自身的熱力運(yùn)動(dòng)和噴槍合理的霧化分散作用下，與氮氧化物充分混合，在適合的溫度和氣氛下，反應(yīng)生成氮?dú)夂退?。發(fā)生的反應(yīng)如下：

如溫度進(jìn)一步提高，則可能發(fā)生以下反應(yīng)：

當(dāng)溫度＜800℃時(shí)，NH3與NO的反應(yīng)速度很慢，但當(dāng)溫度＞1 050℃時(shí)，反應(yīng)式（4）會(huì)逐漸起主導(dǎo)作用。

2.2具體實(shí)踐

陜西某水泥企業(yè)2012年建設(shè)投運(yùn)了SNCR脫硝系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括氨水儲(chǔ)存罐2個(gè)，氨水調(diào)配、輸送系統(tǒng)1套，霧化噴槍1套，霧化控制系統(tǒng)1套，電氣控制系統(tǒng)及接入DCS系統(tǒng)設(shè)備1套。

在該系統(tǒng)后期運(yùn)行中，氮氧化物平均排放濃度從820mg/m3、10%O2降低到330mg/m3、10%O2，脫硝效率約為60%，還原劑氨水消耗量為0.5～0.8m3/h（20%Wt），運(yùn)行成本壓力較大。

2016年初針對(duì)以前存在的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行了技術(shù)改造，取得了良好的效果。

改造內(nèi)容包括：

（1）更改噴槍類型，減小了氨水霧化粒徑，縮短了氨水霧化時(shí)間。

（2）更改噴槍數(shù)量，由原來的4支增加到12支，提高氨水與煙氣混合均勻度。

（3）噴槍插入位置優(yōu)化，選擇分解爐燃燒完成區(qū)域并遠(yuǎn)離C4下料影響。通過以上改造，該脫硝系統(tǒng)運(yùn)行效果有了明顯的改善，氮氧化物平均排放濃度降低到289mg/m3、10%O2，平均脫硝效率為65%，同時(shí)還原劑的消耗量降低到0.2～0.3m3/h（20%Wt），運(yùn)行成本減少約60%。

3　分級(jí)燃燒技術(shù)的原理與實(shí)踐

3.1分級(jí)燃燒技術(shù)的原理

分級(jí)燃燒技術(shù)主要分為空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒?？諝夥旨?jí)燃燒是目前使用較多的低氮氧化物燃燒技術(shù)之一，本文主要介紹燃料分級(jí)燃燒。燃料分級(jí)燃燒，也稱“再燃燒”，是把燃料分成兩股或多股燃料流，這些燃料流經(jīng)過三個(gè)燃燒區(qū)發(fā)生燃燒反應(yīng)。第一燃燒區(qū)為富氧燃燒區(qū)，第二燃燒區(qū)通常稱為再燃燒區(qū)，空氣過剩系數(shù)（用β表示）＜1，為缺氧燃燒區(qū)。在此燃燒區(qū)，第一燃燒區(qū)產(chǎn)生的NOX被還原，同時(shí)其還原效果將受過剩空氣系數(shù)、還原區(qū)溫度及粉料滯留時(shí)間的影響。第三燃燒區(qū)為燃盡區(qū)，其空氣過剩系數(shù)＞1。燃料分級(jí)燃燒技術(shù)是將分解爐分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。主燃區(qū)供入全部熟料的70%～90%，采用常規(guī)的低過剩空氣系數(shù)（β＜1.2）燃燒生成NOX；與主燃區(qū)相鄰的再燃區(qū)，只供給10%～30%的燃料，不供入空氣，形成很強(qiáng)的還原性氣氛（β=0.8～0.9），將主燃區(qū)形成的NOX還原成N2分子；燃盡區(qū)只供入燃盡風(fēng)，在正常的過剩空氣（β=1.1左右）條件下，使未燃燒的CO和飛灰中的碳燃燒完全。水泥窯燃料分級(jí)燃燒技術(shù)在窯尾和分解爐之間建立還原燃燒區(qū)，將原分解爐用燃料的一部分均布到該區(qū)域內(nèi)，將燃煤中的揮發(fā)組分在缺氧燃燒的狀態(tài)下迅速燃燒，并產(chǎn)生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等還原劑組分。這些還原組分會(huì)與窯尾煙氣中的NOX發(fā)生反應(yīng)，將NOX還原成N2等無污染的惰性氣體。主要還原劑的反應(yīng)如下：

此項(xiàng)技術(shù)促使NOX在還原氣氛下被分解還原，利用工藝調(diào)整降低了NOX的產(chǎn)生量，脫硝效率一般為10%～30%。為達(dá)標(biāo)排放，該技術(shù)一般與SNCR技術(shù)聯(lián)合使用，在與SNCR技術(shù)的聯(lián)合使用中，減少了SNCR過程中的氨水的使用量，降低了整體脫硝運(yùn)行成本。

同時(shí)，此項(xiàng)技術(shù)對(duì)抑制SOx的發(fā)生也有一定的作用。通過對(duì)燒成工藝的局部調(diào)整和優(yōu)化，分級(jí)燃燒可將燒成系統(tǒng)調(diào)整到穩(wěn)定的可控狀態(tài)下，不僅可以提高燃燒效率，而且與三次風(fēng)配合使用，還可使預(yù)熱器充分發(fā)揮脫硫塔的效果，降低窯內(nèi)高溫區(qū)產(chǎn)生的SOX的濃度。其具體原理如下：

在水泥窯中，該反應(yīng)的正向反應(yīng)速度在1 100℃時(shí)迅速加快，使得粉料中的硫酸鹽分解為SO2（SOX）而進(jìn)入廢氣中。當(dāng)溫度下降且方程式右邊的分解生成物足夠多時(shí)，正反應(yīng)的速度下降，而逆反應(yīng)的速度加快。此時(shí)，在窯內(nèi)高溫區(qū)分解出來的SO2（SOX）更易被CaO吸收，并反應(yīng)生成硫酸鹽。所以，只要將窯尾和預(yù)熱器內(nèi)的條件控制得當(dāng)，促使上述反應(yīng)逆向進(jìn)行，在窯內(nèi)高溫區(qū)所產(chǎn)生的SO2（SOX）就可以被窯尾和預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)的CaO吸收，降低SO2（SOX）排放濃度。但新型干法水泥生產(chǎn)線硫排放超標(biāo)通常主要是由原料中含硫化物或有機(jī)硫等非硫酸鹽的硫造成的，原料進(jìn)入旋風(fēng)筒的C2～C1風(fēng)管后發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生SO2，這種情況下要想降低廢氣中硫的排放，必須對(duì)預(yù)熱器C2旋風(fēng)筒或以后的廢氣進(jìn)行處置，引入CaO或Ca（OH）2等堿性物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，才能有效解決硫排放的問題。

3.2具體實(shí)踐

通過分級(jí)燃燒和工藝調(diào)整控制NOX和SOX的排放濃度是21世紀(jì)初在日本和世界多地被采用的技術(shù)，下面是某國水泥公司使用此項(xiàng)技術(shù)抑制NOX和SOX排放的案例。

3.2.1降低NOX發(fā)生濃度的案例

某水泥企業(yè)位于北京外圍地區(qū)，北京地區(qū)為加強(qiáng)環(huán)保，將NOX的排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為≤260mg/m3（標(biāo)）。為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，該公司的SNCR脫硝系統(tǒng)氨水消耗量達(dá)到1.6～2.0m3/h（20%Wt），氨水的大量使用給企業(yè)的運(yùn)行成本帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。為了在達(dá)到環(huán)保要求下降低成本，該公司于2015年底在其5 000t/d熟料生產(chǎn)線上采用了上述窯尾燃料分級(jí)燃燒系統(tǒng)。

該分級(jí)燃燒系統(tǒng)的工藝簡單，主要是將窯尾分解爐的兩個(gè)燃燒器更換成推薦使用的低NOX燃燒器，在窯尾增加一個(gè)低NOX燃燒器，這樣從分解爐分取一部分燃料到窯尾進(jìn)行燃燒，借此來抑制NOX的發(fā)生量。

改造施工簡單、時(shí)間短、費(fèi)用低。分級(jí)燃燒運(yùn)行以來，氨水的使用量由原來的1.6～2.0m3/h（20%Wt）降至0.6～1.0m3/h（20%Wt），大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3.2.2降低SOX發(fā)生濃度的案例

位于日本太平洋沿岸的某水泥企業(yè)，原料中的SO3含量偏高（～0.85%），但初步判斷這些硫基本為硫酸鹽的硫，由于窯尾系統(tǒng)存在嚴(yán)重的還原氣氛，給廢氣硫排放帶來更大壓力。通過采用與上述類似的燒成工藝的調(diào)整和優(yōu)化措施，窯尾及預(yù)熱器內(nèi)的氣氛尤其是氧氣濃度達(dá)到適合于式（7）反應(yīng)的逆反應(yīng)方向的條件，促使適量濃度的氧氣和SO2及足夠多的CaO發(fā)生逆向反應(yīng)，使得窯內(nèi)高溫下?lián)]發(fā)出來的大部分SOx被反應(yīng)吸收而生成硫酸鹽（CaSO4），這些生成的硫酸鹽被帶入熟料而排出燒成系統(tǒng)之外（熟料中的SO3含量高時(shí)＞1.5%）。通過采取這些技術(shù)措施，因還原氣氛造成的硫排放有所降低，達(dá)到低于日本環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)值的水平。

4　結(jié)語

SNCR系統(tǒng)是水泥生產(chǎn)線降低NOX發(fā)生的有效措施，合理的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型不但能使排放濃度達(dá)標(biāo)，而且可以減少企業(yè)的環(huán)保負(fù)擔(dān)。

水泥窯的燃料分級(jí)燃燒技術(shù)是抑制NOX發(fā)生的有效措施，這在理論和實(shí)踐中都得到了證明。當(dāng)其配合SNCR系統(tǒng)使用時(shí)，能夠減少SNCR系統(tǒng)氨水使用量，降低運(yùn)行成本。

燃料分級(jí)燃燒技術(shù)能夠改善燒成狀態(tài)，提高揮發(fā)分可控程度，使預(yù)熱器充分發(fā)揮出脫硫效果，是水泥生產(chǎn)線控制SOX排放濃度的較為經(jīng)濟(jì)和有效的做法。

Two Techniques and their Application to Reduce the Cement Enterprises'Nitrogen Oxides Emissionss

TQ172.622.29

A

1001-6171（2016）04-0076-03

通訊地址：中材水泥有限責(zé)任公司，北京100044；2016-06-12；編輯：趙蓮

［1］常捷，蔡順華，等.水泥窯煙氣脫硝技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.11.