邱 凌，王麗娟，趙 磊，唐小軍，王思揚(yáng)

(四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都 610041)

2011年四川省水泥窯合計(jì)357臺(tái)，NOX排放量達(dá)到12.04萬(wàn)噸，占工業(yè)NOX排放量的25.9%。其中新型干法生產(chǎn)線104條，熟料產(chǎn)量占全省熟料產(chǎn)量的 70.5%，NOX排放量占全部水泥窯的89.0%.水泥行業(yè)NOX的排放量已是居火力發(fā)電、汽車尾氣排放之后的第3排放大戶?！秶?guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》中已把NOX降低10%作為“十二五”目標(biāo)值，并明確提出“新型干法水泥窯要進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造，新建水泥生產(chǎn)線要安裝不低于60%的脫硝設(shè)施”。目前我國(guó)水泥行業(yè)尚未開(kāi)展有效的NOX排放控制工作，NOX減排形勢(shì)非常嚴(yán)峻，水泥工業(yè)脫硝工作勢(shì)在必行。

隨著國(guó)家將NOX的削減正式提上日程，許多企業(yè)都在積極的探索減排NOX的有效措施。本文以分別采用低氮燃燒技術(shù)、SNCR煙氣脫硝工程的兩條新型干法水泥生產(chǎn)線為例，綜合評(píng)估其脫硝效果及經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性以期為我省全面開(kāi)展窯爐的低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)，盡快推動(dòng)水泥行業(yè)NOX控制技術(shù)的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，為NOX的大幅度削減提供技術(shù)和政策支撐。

1 低氮燃燒技術(shù)脫硝綜合評(píng)估

通過(guò)分析生產(chǎn)能力為5500t/d的新型干法窯采用低氮燃燒技術(shù)特點(diǎn)，綜合評(píng)估其脫硝效果。

1.1 低氮燃燒技術(shù)

1.1.1 分解爐的分級(jí)燃燒

在分解爐采用分級(jí)燃燒技術(shù)是降低水泥工業(yè)NOX排放的有效并且必要的技術(shù)措施［1，2］。該線主要是風(fēng)分級(jí)，將30%～40%的三次風(fēng)接入分解爐中部，使底部喂入的燃料處于還原不完全燃燒狀態(tài)，主燃燒區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)較低，形成還原區(qū)，在抑制燃料型NOX生成的基礎(chǔ)上，可將窯尾煙氣中大量的熱力型NOX還原為N2。

1.1.2 使用 “低氮燃燒器”

生產(chǎn)線現(xiàn)更換為企業(yè)自行研發(fā)的高推力煤管，它是一種水泥窯用降低NOX排放的四通道煤粉燃燒器，并不是完全意義上的低氮燃燒器。NOX的生成量隨溫度增高而增加，在燃燒過(guò)程中，氧含量愈高，產(chǎn)生的NOX也愈高。通過(guò)降低火焰的峰值溫度和促使燃燒在局部還原氣氛內(nèi)進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)降低NOX排放。主要的特點(diǎn)是節(jié)能 (通過(guò)大幅度減少一次風(fēng)量)和減少環(huán)境污染 (通過(guò)降低NOX排放量)。

1.1.3 控制原料配比和燃煤質(zhì)量

為保證分解爐分級(jí)燃燒以及低氮燃燒器降低NOX的效果，控制原料配比和燃煤質(zhì)量也是十分重要的?？刂圃吓浔仁侵讣尤氲V化劑，提高生料易燒性可以降低燒成溫度，減少熱力NOX的形成。對(duì)燃料煤質(zhì)量的控制?？刂屏淤|(zhì)煤 (高硫、高灰分，低熱值煤)的使用比例在34%～40%范圍內(nèi)。

總的來(lái)說(shuō)，采用低氮燃燒技術(shù)具有工藝操作影響小、工程投資和運(yùn)行成本相對(duì)低廉以及綜合脫硝效果較好的優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)于老廠，燃燒器的改良后對(duì)煤質(zhì)要求高，控制、供風(fēng)系統(tǒng)的配套投入等間接成本也要相應(yīng)增加;分解爐的分級(jí)燃燒改造受到分解爐自身?xiàng)l件以及改造空間等因素的制約有難度，而且為了滿足水泥熟料鍛燒的要求，必須保證高的鍛燒溫度與強(qiáng)度，操作難度增大，因此對(duì)于老廠，低氮燃燒技術(shù)降低NOx的程度有限。

1.2 脫硝綜合評(píng)估分析

1.2.1 一次風(fēng)量

我們所說(shuō)的一次風(fēng)與國(guó)外和國(guó)內(nèi)有些人所說(shuō)的不同，他們把凈風(fēng)叫“一次風(fēng)” (primary air)［3］，我們?cè)谶@里所定義的一次風(fēng)是包括煤風(fēng)在內(nèi)的所有從噴煤管噴出入窯的常溫風(fēng)，與由冷卻機(jī)入窯的高溫二次風(fēng)和由冷卻機(jī)或窯頭罩抽取到窯尾的中溫三次風(fēng)相對(duì)應(yīng)［4］。一次風(fēng)量降低，勢(shì)必多用高溫二次風(fēng)，才能滿足煤粉完全燃燒所需的氧氣量。國(guó)內(nèi)外的理論分析和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)均表明;一次風(fēng)每降低1% ，熟料單位熱耗便可降低(2～3)×4.18kJ/kg熟料［5］。

一次風(fēng)的大小以一次風(fēng)率ψ來(lái)表示，即一次風(fēng)量占煤粉完全燃燒時(shí)所需理論空氣量的比值。一次風(fēng)量與送煤風(fēng)風(fēng)量、凈風(fēng)風(fēng)量 (見(jiàn)表1)有關(guān)以及窯頭風(fēng)量有關(guān)，燃燒時(shí)所需理論空氣量即單位熟料需要的窯頭風(fēng)量。計(jì)算公式如下:

式中:ψ為一次風(fēng)量比例，%;q1為煤粉完全燃燒時(shí)所需的標(biāo)態(tài)一次風(fēng)，Nm3/min;q為單位熟料需要的窯頭風(fēng)量，Nm3/min;α為窯尾過(guò)剩空氣系數(shù);k1為窯用燃料比，%;G為熟料產(chǎn)量，t/d;L為單位熟料用燃煤燃燒需要理論空氣量，Nm3/kg;Qnet，ar為煤的收到基低位熱值，kJ/kg;ε為單位熟料總煤耗，kg/kg;φ為熟料燒成熱耗，kJ/kg。

表1 煤粉燃燒器配用羅茨風(fēng)機(jī)的參數(shù)Tab.1 The parameters of roots blower equipped with the pulverized coal burner

根據(jù)該水泥生產(chǎn)線相關(guān)參數(shù)用上述公式計(jì)算得到窯頭風(fēng)量為 77438.05～81740.17m3/h，一次風(fēng)比例為11.3%～11.9%，與改造前一次風(fēng)消耗量(11%～13%)相比有所降低。通過(guò)一次風(fēng)量的減少來(lái)降低火焰根部范圍內(nèi)的氧含量并降低溫度峰值降低了能耗約10%，從而減少了窯內(nèi)廢氣產(chǎn)生量，而且減少了NOX排放。

1.2.2 脫硝效果評(píng)估

目前采用的低氮燃燒技術(shù)包括分級(jí)燃燒、使用低氮燃燒器以及原料配比和燃煤質(zhì)量控制等措施綜合脫硝效率可以達(dá)到30%(見(jiàn)表2)，脫硝效果較穩(wěn)定。但低氮燃燒技術(shù)脫硝效率隨著工藝狀況的波動(dòng)變化較大，特別是在超產(chǎn)情況下分級(jí)燃燒的效率要大打折扣。

表2 低氮燃燒技術(shù)脫硝綜合評(píng)估Tab.2 Comprehensive evaluating of low NOXcombustion technology

2 SNCR脫硝綜合評(píng)估

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)能力為3800t/d的新型干法窯采用SNCR煙氣脫硝工程技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，評(píng)估其脫硝效果。

2.1 采用SNCR脫硝技術(shù)

SNCR技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用較少;歐美國(guó)家的水泥廠應(yīng)用較多，德國(guó)有70%以上的新型干法水泥廠都采用了這項(xiàng)技術(shù)。歐盟IPPC指令性文件推薦SNCR技術(shù)為水泥廠煙氣脫硝的最佳可行技術(shù)(BAT)。

該生產(chǎn)線SNCR工程于2011年底正式投用，最初使用的是尿素還原劑，由于成本過(guò)高，使用尿素脫硝累計(jì)時(shí)間僅為105個(gè)小時(shí)，并2012年4月份改為氨水還原劑，截止2012年年底已累計(jì)運(yùn)行600多個(gè)小時(shí)。

2.1.1 基本原理

SNCR脫硝的基本原理是將氨水或尿素溶液通過(guò)霧化噴射系統(tǒng)直接噴入分解爐合適溫度區(qū)域(850℃～1050℃)，將霧化后的氨還原劑 (一般是氨或尿素)噴入煙氣中與NOX(NO、NO2等混合物)進(jìn)行選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOX轉(zhuǎn)化成無(wú)污染的N2。

2.1.2 工藝流程

1.尿素SNCR工藝流程。尿素粉體進(jìn)入攪拌溶解槽，配水升溫溶解后，制備成30%～50%的溶液，后經(jīng)過(guò)輸送泵定量進(jìn)入噴槍進(jìn)行噴射。

2.氨水SNCR工藝流程。氨水直接由供應(yīng)廠商外運(yùn)入廠，經(jīng)上料泵直接送入儲(chǔ)存罐，后經(jīng)過(guò)輸送泵定量進(jìn)入噴槍進(jìn)行噴射。

2.2 脫硝綜合評(píng)估分析

2.2.1 影響SNCR系統(tǒng)脫銷效率的因素

表3將采用氨水和尿素影響SNCR系統(tǒng)脫銷效率的因素包括反應(yīng)區(qū)溫度、噴入位置、停留時(shí)間、反應(yīng)劑與燃燒煙氣混合程度以及噴入的吸收劑與NOX量的摩爾比進(jìn)行了對(duì)比。

表3 采用氨水、尿素作還原劑影響SNCR系統(tǒng)脫硝效率的因素Tab.3 The influencing factors of SNCR system de-NOx efficiency using ammonia and urea as reductants

2.2.2 兩種反應(yīng)劑的投資運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比

SNCR脫硝系統(tǒng)主要包括尿素存儲(chǔ)系統(tǒng)、尿素溶液配制系統(tǒng)、尿素溶液儲(chǔ)存系統(tǒng)、溶液噴射系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、安全消防設(shè)施以及其他設(shè)備，合計(jì)投資為195萬(wàn)元。該生產(chǎn)線的氨水制備系統(tǒng)是直接利用原尿素制備系統(tǒng)，僅取消了尿素配制和溶解系統(tǒng)，并新增加了氨水卸車系統(tǒng)、一個(gè)氨水儲(chǔ)存罐以及氨水揮發(fā)氣體回收系統(tǒng)，投資增加了50萬(wàn)左右。以3800t/d生產(chǎn)線SNCR運(yùn)行費(fèi)用為例，標(biāo)態(tài)下煙氣量為 300000Nm3/h，NOX原始標(biāo)態(tài)下790mg/Nm3，脫氮效率為30%，使用氨水和尿素作還原劑的SNCR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較情況如表4。

表4 使用氨水、尿素作還原劑的SNCR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較Tab.4 The comparison of operating cost of SNCR using ammonia and urea as reductants

我們可以看出采用氨水為還原劑的運(yùn)行成本比使用尿素作為還原劑運(yùn)行成本低，節(jié)約近30%，具有更好的經(jīng)濟(jì)可行性。

2.2.3 SNCR選擇不同還原劑脫硝綜合評(píng)估

SNCR選擇尿素和氨水作為還原劑進(jìn)行脫硝，并從工藝系統(tǒng)影響，脫硝效率為30%時(shí)所需的運(yùn)行成本，脫硝潛力以及存在問(wèn)題方面進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表5。

表5 SNCR選擇不同還原劑脫硝綜合評(píng)估Tab.5 Comprehensive evaluation of SNCR using different reductants

工程實(shí)踐表明，選擇性非催化還原 (SNCR)法能顯著降低廢氣中的NOX，并且裝置的結(jié)構(gòu)及布置簡(jiǎn)單，很適合于在老廠的改造和新線設(shè)計(jì)中采用。水泥行業(yè)實(shí)施SNCR煙氣脫硝技術(shù)，多采用氨水，也有少部分企業(yè)采用尿素溶液［6］。氨水作為還原劑比尿素溶液作為還原劑更加穩(wěn)定，副反應(yīng)少，副產(chǎn)物少，流程更短，化學(xué)反應(yīng)效率高，脫氮率高，對(duì)主體設(shè)備影響小，經(jīng)濟(jì)性更佳。如果單純使用SNCR的脫硝率有限，超過(guò)50%脫硝率時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定，還原劑更換為液氨就可以有效解決這個(gè)問(wèn)題，但使用液氨存在的安全風(fēng)險(xiǎn)非常高。

3 低氮燃燒技術(shù)+SNCR

根據(jù)生產(chǎn)線目前的狀況，通過(guò)低氮燃燒技術(shù)+SNCR煙氣脫硝，綜合脫硝效率可以達(dá)到50%～55%，NOX排放濃度在550 mg/Nm3左右。因此，在一條線上同時(shí)采用低氮燃燒技術(shù)和SNCR煙氣脫硝的NOX控制技術(shù)，如果綜合脫硝效率達(dá)到50%～60%，綜合運(yùn)行成本大約為6～10元/噸熟料。綜合脫硝效率達(dá)到70%是困難的 (見(jiàn)表6)，而且穩(wěn)定運(yùn)行非常困難，特別是在超產(chǎn)的情況下幾乎不可能。

從技術(shù)可行性來(lái)看，綜合脫硝效率達(dá)到50%～60%是可行的，但仍存在一些問(wèn)題:低氮燃燒技術(shù)穩(wěn)定性較差，脫硝效率隨著工藝狀況的波動(dòng)變化較大，特別是在超產(chǎn)情況下分級(jí)燃燒的效率要大打折扣;SNCR的脫硝效率在50%以下時(shí)較為穩(wěn)定，超過(guò)50%時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定，使用液氨作為還原劑可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題，但使用液氨存在的安全風(fēng)險(xiǎn)非常高。

表6 采用低氮燃燒技術(shù)+SNCR措施經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)估Tab.6 Economic and technical evaluation of low NOx combustion technology and SNCR

從經(jīng)濟(jì)可行性來(lái)看，按照目前水泥市場(chǎng)的情況，工廠能承受的脫硝綜合運(yùn)行成本在3元/噸熟料，如果超過(guò)這個(gè)值，企業(yè)很難承受，而且要達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，長(zhǎng)期運(yùn)行成本的影響非常大。如果要長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)到70%的綜合脫硝率，配套政策必須非常強(qiáng)，比如水泥企業(yè)生產(chǎn)電價(jià)優(yōu)惠就可以作為重點(diǎn)考慮，單純的建設(shè)項(xiàng)目補(bǔ)貼無(wú)法保證設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)，任何升高成本的做法都會(huì)存在執(zhí)行難的問(wèn)題。

總的來(lái)說(shuō)，低氮燃燒技術(shù)+SNCR的脫硝效率達(dá)到50%～60%從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是可行的，同時(shí)需要我們從現(xiàn)場(chǎng)操作、環(huán)境管理等方面解決好技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)配套經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼政策支撐鼓勵(lì)企業(yè)積極開(kāi)展脫硝工程建設(shè)，并使之穩(wěn)定運(yùn)行。

基于對(duì)氨逃逸方面的擔(dān)心，氨逃逸先經(jīng)過(guò)生料磨吸收，達(dá)到空預(yù)器的逃逸氨濃度更低。低于10ppm對(duì)水泥設(shè)備影響極小，可以忽略不計(jì)。如果太低 (如3ppm)技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難;太高對(duì)附屬設(shè)備影響大，運(yùn)行成本高［7］。就目前而言，氨逃逸的監(jiān)測(cè)目前在水泥行業(yè)尚無(wú)應(yīng)用。

4 政策建議

4.1 采用低氮燃燒器、分解爐分級(jí)燃燒等低NOX燃燒技術(shù)相對(duì)SNCR技術(shù)具有費(fèi)用相對(duì)低廉的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于工藝改造難度大或不具備改造條件(如沒(méi)有設(shè)備安裝空間)的現(xiàn)有企業(yè)，適合采取改造難度較小的SNCR技術(shù);對(duì)于具備采用新技術(shù)條件、位于重點(diǎn)區(qū)域的企業(yè)面臨更大的環(huán)保壓力的這兩類新建企業(yè)，要求采取組合減排技術(shù)方案，包括低氮燃燒器、分解爐分級(jí)燃燒、SNCR技術(shù)等，穩(wěn)定達(dá)到50%～60%綜合脫除效率從技術(shù)是可行的。積極開(kāi)展水泥行業(yè)新型干法窯低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝示范工程建設(shè)，并逐步推廣。

4.2 進(jìn)行NOX減排改造，需要比較高的技術(shù)支撐，意味著對(duì)水泥企業(yè)生產(chǎn)管理水平有較高的要求。在行業(yè)調(diào)整及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)過(guò)程中，只有實(shí)現(xiàn)技術(shù)管理水平的正規(guī)化才能保證脫硝工作正常穩(wěn)定開(kāi)展。

4.3 借鑒歐盟現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮我國(guó)環(huán)保技術(shù)的發(fā)展水平及企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，合理確定我國(guó)新的排放標(biāo)準(zhǔn)，并循序漸進(jìn)、逐步推進(jìn)，既有利于完成減排目標(biāo)、保護(hù)環(huán)境，又有利于水泥工業(yè)的健康發(fā)展。設(shè)計(jì)時(shí)NOX初始值的選取必須具有代表性;目前國(guó)內(nèi)水泥項(xiàng)目NOX初始濃度為600～1200mg/Nm3，如果達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn) (預(yù)測(cè)新標(biāo)準(zhǔn)300～500mg/Nm3)所需的脫硝率約為40%～75%［9］。要使脫硝效率穩(wěn)定達(dá)到70%以上，對(duì)運(yùn)行成本和管理水平要求非常高，就目前企業(yè)現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)困難非常大。因此，合理制定我國(guó)新的排放標(biāo)準(zhǔn)顯得尤為重要。

4.4 加強(qiáng)水泥行業(yè)環(huán)保監(jiān)管力度，為所有的水泥企業(yè)提供一個(gè)公平的大氣污染物排放監(jiān)控體系，這樣才能有利于水泥行業(yè)淘汰落后產(chǎn)能，有利于企業(yè)努力執(zhí)行更嚴(yán)格的水泥行業(yè)NOX排放標(biāo)準(zhǔn)，避免企業(yè)無(wú)所作為從而引發(fā)更多的區(qū)域性市場(chǎng)問(wèn)題。

4.5 水泥行業(yè)是一個(gè)完全市場(chǎng)化的行業(yè)，在執(zhí)行未來(lái)新標(biāo)準(zhǔn)中，加以經(jīng)濟(jì)杠桿的調(diào)節(jié)將是加快NOX減排最有效的助推器。借鑒對(duì)燃煤發(fā)電廠的環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策，對(duì)實(shí)施脫硝改造的企業(yè)給予脫硝投資補(bǔ)貼，尤其提高脫硝水泥企業(yè)的電價(jià)補(bǔ)貼即根據(jù)企業(yè)綜合脫硝效率，分級(jí)制定水泥企業(yè)生產(chǎn)電費(fèi)優(yōu)惠額度。這樣無(wú)疑會(huì)調(diào)動(dòng)企業(yè)積極性，促進(jìn)全行業(yè)脫硝技術(shù)的快速發(fā)展。

［1］Xeller H.New development in NOXabatement in the cement industry，Part1［J］.ZKG international，1998，51(3):44-51.

［2］崔索萍，葉文娟，蘭明章，王亞麗.水泥窯爐NOX形成機(jī)理及處理技術(shù)［G］.中國(guó)水泥，2010，5:55-59.

［3］陳全德.水泥預(yù)分解技術(shù)與熱工制度系統(tǒng)工程［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，1988.

［4］江旭昌.回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的發(fā)展趨勢(shì)、特點(diǎn)及選擇［J］.新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2008，(1):13-18.

［5］容永泰.水泥回轉(zhuǎn)窯的噴燃管［J］.新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，1997，(3):11-13.

［6］范海燕，朱 虹，等.SNCR脫硝技術(shù)在新型干法水泥窯中的應(yīng)用［C］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2011.1296-1299.

［7］鐘曉雨.水泥行業(yè)應(yīng)用SNCR脫硝工藝五點(diǎn)建議［EB/OL］.中國(guó)水泥網(wǎng)，http://info.ccement.com/news/content/4069148707997.html.2012-11-23.