王魯巖+包文忠+劉文山+唐新宇+程兆環(huán)

摘 要：目前我國(guó)水泥行業(yè)正在進(jìn)行新型干法水泥窯煙氣脫硝技術(shù)改造，主要進(jìn)行選擇性非催化還原技術(shù)改造并配合部分分級(jí)燃燒技術(shù)改造。本文主要介紹國(guó)內(nèi)外水泥窯脫硝的各種脫硝工藝的技術(shù)特點(diǎn)和投資運(yùn)行費(fèi)用等，以供環(huán)保部門(mén)和水泥企業(yè)參考。

關(guān)鍵詞：水泥爐窯；脫硝技術(shù)；氮氧化物

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)水泥年產(chǎn)量由1978年的6524萬(wàn)噸提高到2012年的221000萬(wàn)噸，獲得了飛速的發(fā)展。但是，水泥工業(yè)也是資源型高能耗產(chǎn)業(yè)，伴隨著水泥工業(yè)的發(fā)展，水泥行業(yè)氮氧化物的排放量占到全國(guó)工業(yè)排放總量的8-10%。2013年9月國(guó)務(wù)院頒發(fā)了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，環(huán)保部與相關(guān)單位于2013年12月27日聯(lián)合發(fā)布了新修訂的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915-2013）。目前水泥廠煙氣氮氧化物限值由800mg/m3下調(diào)到400～320mg/m3，我國(guó)各省都在大力推進(jìn)水泥窯爐脫硝技術(shù)改造工作。

新型干法水泥窯可以選擇的降低氮氧化物排放的技術(shù)主要有：選擇性非催化還原技術(shù)、低氮燃燒技術(shù)、催化還原技術(shù)、協(xié)同處置廢棄物降低氮氧化物、工藝調(diào)整等。

1 選擇性非催化還原技術(shù)

選擇性非催化還原技術(shù)是目前我國(guó)水泥窯脫硝改造的首選技術(shù)。

1.1 原理

選擇性非催化還原（selective non-catalytic reaction，簡(jiǎn)稱(chēng)SNCR）就是利用氨水、尿素等還原劑在不需要催化劑的情況下有選擇性地與煙氣中的氮氧化物（NOx）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮?dú)夂退姆椒?。所發(fā)生的可能化學(xué)反應(yīng)如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

2NH3+3O2→N2+3H2O

4NH3+5O2→4NO+6H2O

不僅包括氨與氮氧化物的反應(yīng)，也包含氨與氧氣的副反應(yīng)。因此選擇性非催化還原技術(shù)在達(dá)到同樣脫硝效率的情況下，氨水的消耗量要高于選擇性催化還原技術(shù)。

1.2 使用情況

水泥窯SNCR技術(shù)改造后，氮氧化物排放濃度多數(shù)都可以在原有基礎(chǔ)上降低60%，減低到GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求的320或400mg/m3的水平。

我國(guó)自從2011年首條水泥窯SNCR脫硝技術(shù)改造在湖南省中材湘潭水泥有限責(zé)任公司投運(yùn)以來(lái)，發(fā)展非常迅速。目前湖南、貴州、重慶等省市的水泥窯多數(shù)都已經(jīng)進(jìn)行了SNCR技術(shù)改造，而山東、河南、新疆等省市也都預(yù)計(jì)在2014年完成水泥窯SNCR改造。

1.3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前SNCR在水泥窯脫硝在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用都較普遍，筆者考察了國(guó)內(nèi)幾十條水泥窯的SNCR系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)SNCR系統(tǒng)在水泥窯主要有兩個(gè)問(wèn)題：第一是成本問(wèn)題，水泥窯SNCR系統(tǒng)畢竟給每噸水泥熟料增加了2-5元每噸的運(yùn)行成本；第二是無(wú)煙煤SNCR系統(tǒng)的適應(yīng)性問(wèn)題，揮發(fā)分低于5%的難燃無(wú)煙煤水泥窯，SNCR的脫硝效果不好，運(yùn)行成本也顯著高于煙煤水泥窯；第三是實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)率不高，高的使用成本嚴(yán)重制約了水泥窯SNCR系統(tǒng)的使用情況。因此，我國(guó)水泥窯SNCR未來(lái)的發(fā)展方向主要就是降低SNCR的使用成本貴，提高脫硝效果，并提高運(yùn)轉(zhuǎn)率。

2 選擇性催化還原技術(shù)

2.1 原理

選擇性催化還原（selective catalytic reaction，簡(jiǎn)稱(chēng)SCR）同SNCR類(lèi)似，只是在催化劑存在的條件下，利用氨水、尿素等還原劑有選擇性地與煙氣中的氮氧化物（NOx）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮?dú)夂退姆椒ā?/p>

2.2 使用情況

國(guó)內(nèi)水泥窯應(yīng)用SCR的報(bào)道很少，僅有金隅集團(tuán)在太行前景用某大學(xué)二氧化鈦基金屬氧化物催化劑低溫催化劑。在尾排風(fēng)機(jī)出口取氣，風(fēng)量1250m3/h，從120℃（電）加熱到170℃，從500mg/m3降低到60mg/m3。在80%以上活性保持了20h。后期使用情況不明。

全球僅有幾個(gè)水泥廠正式應(yīng)用過(guò)SCR技術(shù)，其中：德國(guó)的Solnhofen Zementwerkes的SCR系統(tǒng)從2001年運(yùn)行至2006年1月。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，SCR技術(shù)脫硝效率最高可達(dá)90%以上，同時(shí)可同步除去Hg、VOC、二噁英等污染物。制約SCR技術(shù)的主要問(wèn)題是成本問(wèn)題，雖然達(dá)到同步脫硝效率的氨水消耗量，SCR要低于SNCR，但是SCR要消耗大量的催化劑，因此根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的報(bào)道，SCR的運(yùn)行成本高于SNCR的運(yùn)行成本100%-150%。

2.3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

雖然SCR的運(yùn)行成本高于SNCR，但是SNCR不能保證實(shí)現(xiàn)80%以上的脫硝效率，因此在未來(lái)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)可能更加嚴(yán)格的情況下，SCR仍然有其存在空間。另外目前的SCR催化劑活性溫度普遍在300℃以上，在水泥窯的布置上只能采用在C1出口后布置的方式，因此粉塵含量極高，對(duì)催化劑的壽命不利，如果能研發(fā)出低溫（120℃左右，適合布置在收塵器出口）的SCR催化劑，那么將有可能大大提高SCR催化劑壽命，降低運(yùn)行成本。

3 低氮燃燒技術(shù)

3.1 原理

低氮燃燒技術(shù)在水泥行業(yè)也稱(chēng)為分級(jí)燃燒技術(shù)，包含空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)。其基本原理相同，都是通過(guò)空氣或煤粉的分級(jí)送入，使煤粉首先在空氣過(guò)剩系數(shù)小于1的缺氧條件下燃燒，使得燃燒生成的一氧化碳及燃料氮分解成中間產(chǎn)物（如NH、CN、HCN和NHx等）與氮氧化物進(jìn)行還原反應(yīng)，從而抑制氮氧化物的生產(chǎn)。

3.2 使用情況

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)的脫硝效率最高都可以達(dá)到30%以上，但是由于操作習(xí)慣等多方面原因，實(shí)際投運(yùn)的脫硝效果一般可以穩(wěn)定在10-15%。目前在天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)的2009年以后的新型干法水泥窯，都已經(jīng)配置空氣分級(jí)燃燒技術(shù)設(shè)備。中材湘潭的空氣分級(jí)燃燒效果比較理想，在本底氮氧化物排放濃度約900mg/m3的情況下，可以通過(guò)分級(jí)燃燒穩(wěn)定降低到600-650mg/m3左右。

分級(jí)燃燒技術(shù)的缺點(diǎn)是脫硝效率難以提高，單獨(dú)采用分級(jí)燃燒技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)家環(huán)保部門(mén)的要求，必須與其他技術(shù)配合使用。

3.3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

低氮燃燒技術(shù)運(yùn)行成本較低，雖然脫硝效率不高，但是可以有效的降低選擇性非催化還原技術(shù)的運(yùn)行成本，因此在國(guó)內(nèi)也得到環(huán)保部門(mén)的大力推動(dòng)。現(xiàn)在主要問(wèn)題是分級(jí)燃燒技術(shù)與現(xiàn)在水泥窯生產(chǎn)操作有一定差異，從了解、接受到逐步使用要一個(gè)過(guò)程。

4 其他技術(shù)

除了以上幾種技術(shù)，還有低氮燃燒器、燃燒器加水煤漿、協(xié)同處置廢棄物降低氮氧化物排放等技術(shù)方案。

低氮燃燒器通過(guò)濃淡燃燒、降低火焰最高點(diǎn)溫度等方式，理論上可以降低氮氧化物排放0-5%，但是因低氮燃燒器在使用過(guò)程中需要優(yōu)先保證窯的正常煅燒，通常需要提高火焰溫度，與低氮燃燒器降低氮氧化物排放的要求背道而馳，因此實(shí)際上降低氮氧化物排放效果不顯著。

協(xié)同處置污泥等廢棄物時(shí)，因部分廢棄物中有機(jī)質(zhì)含量較高，在分解爐投入后釋放出含氮的基團(tuán)，與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，降低了氮氧化物的排放濃度。但是因水泥窯協(xié)同處置廢棄物受制于很多因素，從使用上僅適用于部分可以處置合適物質(zhì)的水泥廠。

燃燒器加水煤漿等技術(shù)方案目前還在研究階段，在實(shí)驗(yàn)中也可以得到10-15%的脫硝效率，但是尚未具備推廣條件。

5 總結(jié)

本文總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外降低水泥窯氮氧化物排放的幾種技術(shù)的應(yīng)用情況并指出未來(lái)的反戰(zhàn)趨勢(shì)，其中選擇性非催化還原和分級(jí)燃燒是現(xiàn)階段的主導(dǎo)脫硝技術(shù)。

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基金項(xiàng)目：水泥窯爐NOx高溫低成本還原材料與技術(shù)示范應(yīng)用（2011BAE29B03）資助。

作者簡(jiǎn)介：包文忠（1966- ），男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：水泥工藝、水泥工業(yè)環(huán)保。