陳躍勛張訓(xùn)（廣東省水泥行業(yè)協(xié)會(huì)；廣東廣業(yè)檢測(cè)有限公司）

對(duì)水泥脫硝技術(shù)的探討

陳躍勛1張訓(xùn)2
（1廣東省水泥行業(yè)協(xié)會(huì)；2廣東廣業(yè)檢測(cè)有限公司）

水泥行業(yè)是氮氧化物排放的大戶，本文從氮氧化物的形成、目前脫硝的方法入手，分析探討水泥脫硝技術(shù)。

氮氧化物；脫硝；SCR；SNCR

1　前言

氮氧化物（NOx）是主要的大氣污染物之一，是多種氮的氧化物的總稱，其中絕大部分為NO和NO2。NOx的主要危害有：①可刺激肺部，使之難抵抗感冒之類的呼吸系統(tǒng)疾??；②一氧化氮和二氧化氮為主的氮氧化物是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的重要原因。我國(guó)NOx排放的來(lái)源主要是化石燃料，尤其是煤的燃燒。目前，我國(guó)有3000多家水泥企業(yè)，新型干法生產(chǎn)線1800余條，水泥行業(yè)氮氧化物的排放占總排放量約10%，是除了電力和機(jī)動(dòng)車外的第三大排放污染源［1］?！端喙I(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915-2013）［2］中規(guī)定：新建企業(yè)和現(xiàn)有企業(yè)執(zhí)行窯尾NOx排放濃度不大于400mg/Nm3的規(guī)定，重點(diǎn)地區(qū)執(zhí)行NOx排放濃度不大于320mg/Nm3的規(guī)定。

2　水泥行業(yè)氮氧化物形成的原因

水泥企業(yè)生成NOx的途徑主要有四種：①熱力型NOx，燃料在窯頭1400℃以上燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量NOx；②快速型NOx，它是有碳?xì)涓嬖跁r(shí)，于火焰前端快速形成的NOx，一般這種快速NO生成量的比例很小；③燃料型NOx，它是由燃料中所含的化學(xué)接合氮所產(chǎn)生的；④生料型NOx，它是由窯喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx。在水泥窯廢氣中，NO2通常只占NO+NO2總量的5%以下，NO則占總量的95%以上。

通過(guò)研究和分析氮氧化物形成的原因，才能清楚地認(rèn)識(shí)到，水泥生產(chǎn)過(guò)程中的氮氧化物是怎樣產(chǎn)生的。才能從根本上來(lái)遏制氮氧化物的形成，或者是通過(guò)采用什么有效手段來(lái)降低氮氧化物的排放，從而可以有效的研究出水泥脫硝的方法。

3　水泥行業(yè)脫硝處理的方法

目前、水泥行業(yè)脫硝方法主要分為兩類：一是從煅燒工藝上來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，已達(dá)到減少氮氧化物的目的，不用增加太多的設(shè)備和裝置；二是增設(shè)脫硝設(shè)備和裝置來(lái)減少氮氧化物，主要包括選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）和選擇性催化還原技術(shù)（SCR）。

3.1 從煅燒工藝上入手來(lái)進(jìn)行脫硝

3.1.1 改進(jìn)燃燒器或分解爐

在較低的溫度下或氧氣濃度低的情況下進(jìn)行燃燒，可以有效的降低氮氧化物的生成。因此，需要研究新型的燃燒器或分解爐，對(duì)燃燒器或分解爐進(jìn)行改進(jìn)。低氮燃燒器的主要特點(diǎn)是推力大，煤和空氣混合好，燃燒速率快。它與傳統(tǒng)的燃燒器相比，需要的過(guò)?？諝庀禂?shù)小，火焰溫度也較低，因此生成的氮氧化物少［3］。采用低氮分解爐，同樣是為了減少分解爐中氮氧化物的形成，其原理與低氮燃燒器類似。

3.1.2 采用分級(jí)燃燒技術(shù)

目前，分級(jí)燃燒主要分為空氣分級(jí)燃燒和煤粉分級(jí)燃燒。

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是國(guó)內(nèi)外采用較多的一種低氮燃燒技術(shù)。其原理就是將分解爐燃燒所需的三次空氣量由原來(lái)的底部切向?qū)敫某煞謨杉?jí)送入，燃料在缺氧狀態(tài)下燃燒，燃燒速度和溫度都在降低，從而減少了熱力型NOx的產(chǎn)生。同時(shí)，燃燒產(chǎn)生的CO參與NOx的還原反應(yīng)。另一部分三次風(fēng)以二次風(fēng)的形式進(jìn)分解爐的二級(jí)燃燒區(qū)，即燃盡區(qū)，此區(qū)為富氧燃燒區(qū)，此時(shí)空氣量增多，會(huì)產(chǎn)生新的NOx，但因?yàn)闇囟认鄬?duì)較低，新生成的NOx的量不高。

2CO+2NO→2CO2+N2

NH+NH→N2+H2

NH+NO→N2+OH

煤粉分級(jí)燃燒技術(shù)又稱為再燃燒技術(shù)，是將分解爐用煤粉分上下兩層喂入，這樣，在分解爐的底部就形成了強(qiáng)還原區(qū)，以此消除回轉(zhuǎn)窯過(guò)來(lái)的二次風(fēng)以及爐內(nèi)本身燃燒形成的NOx，從而起到降氮的作用。

分級(jí)燃燒技術(shù)主要就是改變了分解爐內(nèi)內(nèi)燃燒時(shí)的氣氛，讓爐內(nèi)變成了強(qiáng)還原區(qū)，在不影響正常生產(chǎn)的情況下，降低了NOx的產(chǎn)生。這種方式雖然降低NOx的比例不高，大約15%～25%，但基本上不用增加運(yùn)行成本，可靠性高。

3.1.3 高固氣比懸浮預(yù)熱技術(shù)

高固氣比懸浮預(yù)熱分解系統(tǒng)采用雙系列并聯(lián)平行氣流與交叉串行料流方式及外循環(huán)分解爐，使得大部分物料在分解爐與預(yù)熱器內(nèi)得以分解，70%以上的燃料均在分解爐燃燒，大大減少了回轉(zhuǎn)窯的燃料量，使得回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的NOx量降低。雖大部分的燃料在分解爐燃燒，但分解爐處的溫度較低，操作條件相對(duì)穩(wěn)定，且低溫分解爐較易形成還原氣氛，這對(duì)NOx減排有利。同時(shí)，分解爐是外循環(huán)系統(tǒng)，燃料與氣體的接觸時(shí)間延長(zhǎng)，則生成的NOx與爐內(nèi)的還原氣氛接觸時(shí)間延長(zhǎng)，這也有利于已生成NOx的還原［4］。

可以看出，高固氣比懸浮預(yù)熱技術(shù)改變了物料分解方式，讓物料不用在水泥旋轉(zhuǎn)窯內(nèi)分解，通過(guò)五級(jí)八次氣固換熱，提高了系統(tǒng)的熱效率，有效降低了煙氣溫度和煤耗，最終大大的降低了NOx的排放。

3.2 增設(shè)脫硝設(shè)備入手來(lái)進(jìn)行脫硝

3.2.1 選擇性非催化還原技術(shù)SNCR

SNCR技術(shù)是一種成熟的NOx控制處理技術(shù)。此方法是在分解爐的合適溫度區(qū)域加入還原劑氨水或尿素，在有部分氧存在的條件下，氨與NOx發(fā)生選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化成無(wú)污染的N2，主要化學(xué)反應(yīng)有：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

3.2.2 選擇性催化還原技術(shù)（SCR）

SCR技術(shù)大規(guī)模的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的電力行業(yè)中，在水泥行業(yè)還未廣泛開展應(yīng)用。SCR是利用NH3與NO反應(yīng)的選擇性，選擇合適的催化劑，在350～400℃時(shí)，在催化劑表面將富氧煙氣中的NO還原成N2和H2O。SCR化學(xué)反應(yīng)與SNCR是一樣的，只是降低了反應(yīng)溫度，提高了脫硝效率。

SCR技術(shù)又主要分為高溫高塵、低溫低塵脫硝技術(shù)。高溫高塵SCR反應(yīng)器布置在第一級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器之后，溫度約為350℃，粉塵濃度80～100g/m3。其技術(shù)特點(diǎn)是：該溫度范圍適合大多數(shù)催化劑的工作溫度，此處煙氣溫度與常規(guī)催化劑活性溫度窗口較為吻合，無(wú)需對(duì)煙氣進(jìn)行再加熱。低溫低塵SCR反應(yīng)器布置在窯尾除塵器后，溫度約為250℃，粉塵濃度50mg/m3。催化劑可在無(wú)塵煙氣中工作，可以減少煙塵對(duì)催化劑的磨蝕性，但由于煙氣溫度低（＜250℃），難以達(dá)到催化劑的工作溫度，需增加加熱裝置，增加能耗和運(yùn)行費(fèi)用［5］。

3.2.3 SNCR與SCR兩種脫硝技術(shù)的比較

這兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，兩者技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1　SCR和SNCR脫硝技術(shù)指標(biāo)對(duì)比［6］

由表1可知，SCR與SNCR相比，脫硝溫度更低，效率更高，但是運(yùn)行成本更高，且催化劑有可能中毒，活性降低。因此，目前水泥行業(yè)基本上都是采用SNCR技術(shù)來(lái)進(jìn)行脫硝，脫硝效率較低，在40%～70%之間，能夠達(dá)到目前氮氧化物排放的要求。

SCR技術(shù)的核心就是催化劑，其壽命決定了水泥脫硝的運(yùn)行成本，若能夠提高其運(yùn)行壽命，降低其中毒的幾率，在未來(lái)排放要求越來(lái)越高的情況下，SCR技術(shù)是必定作為水泥企業(yè)第一選擇的。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)水泥生產(chǎn)線NOx排放都高于850mg/Nm3，長(zhǎng)期使用SNCR系統(tǒng)，單位熟料氨水的消耗成本如果按4元/t估算，平均產(chǎn)量5500t/d生產(chǎn)線，每天約耗費(fèi)2.2萬(wàn)元人民幣，年運(yùn)轉(zhuǎn)320天，脫硝成本約為704萬(wàn)元/年［7］。由此可見，水泥脫硝成本還是很高的，特別是在水泥行業(yè)利潤(rùn)已經(jīng)十分微薄的大環(huán)境下。因此，需要對(duì)脫硝技術(shù)進(jìn)行深入研究，不斷降低脫硝成本，這樣才是對(duì)于水泥企業(yè)及環(huán)境都是最佳的選擇。

4　結(jié)語(yǔ)

目前，水泥行業(yè)脫硝是勢(shì)在必行的，但在此過(guò)程中也存在不少問(wèn)題。針對(duì)水泥行業(yè)脫硝，提出幾條建議：

⑴不斷研究燃燒過(guò)程中降低氮氧化物的方法，通過(guò)空氣分級(jí)和燃料分級(jí)，在不增加成本的情況下來(lái)降低氮氧化物的形成。

⑵SNCR雖然運(yùn)行成本相對(duì)較低，但是有脫硝效率相對(duì)較低的致命缺陷，在未來(lái)環(huán)保要求更高時(shí)，將很難滿足國(guó)家排放要求，因此應(yīng)大力研發(fā)SCR技術(shù)，開發(fā)出溫度更低、使用壽命更長(zhǎng)、不容易中毒的催化劑，降低使用成本，提高脫硝效率。

⑶為了提高脫硝效率，可以考慮多種脫硝方式結(jié)合的方法。舊的水泥廠可采用空氣分級(jí)、燃料分級(jí)與SNCR（或SCR）結(jié)合的方式來(lái)提高脫硝效率，而新建水泥廠則可以考慮采用高固氣比技術(shù)與SNCR（或SCR）結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物排放的目標(biāo)。

［1］王新頻，趙嬌，喬彬，史偉，王冬.國(guó)內(nèi)外水泥熟料生產(chǎn)線降氮脫硝技術(shù)及應(yīng)用（上）［J］.中國(guó)水泥，2016（06）.

［2］GB 4915-2013水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］溫平.水泥窯幾種典型脫硝技術(shù)的比較［J］.中國(guó)水泥，2015 （03）.

［4］王新頻.淺論水泥窯煙氣降氮脫硝技術(shù)［J］.新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2016（02）.

［5］周榮，韋彥斐，許明海，顧震宇，孫嘉寧，汪昊其，王付超.水泥窯SCR煙氣脫硝技術(shù)的可行性分析［J］.水泥，2015（02）.

［6］歐根能，欒景麗，劉維維，陶輝旺.水泥窯SNCR和SCR脫硝技術(shù)應(yīng)用前景分析［J］.云南冶金，2013（10）.

［7］武曉萍，陶從喜，彭學(xué)平，朱金波，郭濤，陳昌華，代中元.水泥窯三次風(fēng)分級(jí)燃燒脫硝應(yīng)用技術(shù)［J］.水泥，2016（03）.