尹國明

水泥企業(yè)氮氧化物減排的兩種技術措施及實踐

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（SNCR技術與燃料分級燃燒技術）的技術原理和具體實踐。在不同的條件下，兩種脫硝技術都取得了很好的效果，不但使水泥企業(yè)的廢氣排放達到《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》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組合和優(yōu)化降低了企業(yè)的環(huán)保運行成本，為水泥企業(yè)氮氧化物減排提供了更多的技術選擇與參考。另外，燃料分級燃燒技術還具有脫硫效應，合理利用燃料分級燃燒的脫硫效應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；分級燃燒技術

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)電和機動車尾氣排放，位居第三。氮氧化物的排放問題已經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比2010年下降10%?，F(xiàn)行的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》規(guī)定，一般地區(qū)NOX的排放指標濃度控制在400mg/m3以下，重點區(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工藝或原（燃）料的改變，如低NOx燃燒器、分解爐分級燃燒、工藝優(yōu)化控制、添加礦化劑、燃料替代等，減少NOX的產生。采取這些綜合措施后，大約可降低20%～30%的NOX排放量，相應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、選擇性催化還原（SCR）技術、SNCR-SCR聯(lián)合脫硝技術等煙氣脫硝措施，其中SNCR是目前比較成熟可行的技術，脫硝效率一般為40%～60%。

2　SNCR降低NOX原理及實踐

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，在適合脫硝反應的“溫度窗口”內噴入還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水。因其投資成本低、運行可靠，在水泥行業(yè)被廣泛運用。該技術在水泥窯實施過程中，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動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，反應生成氮氣和水。發(fā)生的反應如下：

如溫度進一步提高，則可能發(fā)生以下反應：

當溫度＜800℃時，NH3與NO的反應速度很慢，但當溫度＞1 050℃時，反應式（4）會逐漸起主導作用。

2.2具體實踐

陜西某水泥企業(yè)2012年建設投運了SNCR脫硝系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括氨水儲存罐2個，氨水調配、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)設備1套。

在該系統(tǒng)后期運行中，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），運行成本壓力較大。

2016年初針對以前存在的設計缺陷進行了技術改造，取得了良好的效果。

改造內容包括：

（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)域并遠離C4下料影響。通過以上改造，該脫硝系統(tǒng)運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%，同時還原劑的消耗量降低到0.2～0.3m3/h（20%Wt），運行成本減少約60%。

3　分級燃燒技術的原理與實踐

3.1分級燃燒技術的原理

分級燃燒技術主要分為空氣分級燃燒和燃料分級燃燒。空氣分級燃燒是目前使用較多的低氮氧化物燃燒技術之一，本文主要介紹燃料分級燃燒。燃料分級燃燒，也稱“再燃燒”，是把燃料分成兩股或多股燃料流，這些燃料流經過三個燃燒區(qū)發(fā)生燃燒反應。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)產生的NOX被還原，同時其還原效果將受過?？諝庀禂?shù)、還原區(qū)溫度及粉料滯留時間的影響。第三燃燒區(qū)為燃盡區(qū)，其空氣過剩系數(shù)＞1。燃料分級燃燒技術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，在正常的過?？諝猓é?1.1左右）條件下，使未燃燒的CO和飛灰中的碳燃燒完全。水泥窯燃料分級燃燒技術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，將燃煤中的揮發(fā)組分在缺氧燃燒的狀態(tài)下迅速燃燒，并產生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等還原劑組分。這些還原組分會與窯尾煙氣中的NOX發(fā)生反應，將NOX還原成N2等無污染的惰性氣體。主要還原劑的反應如下：

此項技術促使NOX在還原氣氛下被分解還原，利用工藝調整降低了NOX的產生量，脫硝效率一般為10%～30%。為達標排放，該技術一般與SNCR技術聯(lián)合使用，在與SNCR技術的聯(lián)合使用中，減少了SNCR過程中的氨水的使用量，降低了整體脫硝運行成本。

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

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

3.2具體實踐

通過分級燃燒和工藝調整控制NOX和SOX的排放濃度是21世紀初在日本和世界多地被采用的技術，下面是某國水泥公司使用此項技術抑制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)為加強環(huán)保，將NOX的排放標準設定為≤260mg/m3（標）。為了達到排放標準，該公司的SNCR脫硝系統(tǒng)氨水消耗量達到1.6～2.0m3/h（20%Wt），氨水的大量使用給企業(yè)的運行成本帶來了沉重的負擔。為了在達到環(huán)保要求下降低成本，該公司于2015年底在其5 000t/d熟料生產線上采用了上述窯尾燃料分級燃燒系統(tǒng)。

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

改造施工簡單、時間短、費用低。分級燃燒運行以來，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整和優(yōu)化措施，窯尾及預熱器內的氣氛尤其是氧氣濃度達到適合于式（7）反應的逆反應方向的條件，促使適量濃度的氧氣和SO2及足夠多的CaO發(fā)生逆向反應，使得窯內高溫下?lián)]發(fā)出來的大部分SOx被反應吸收而生成硫酸鹽（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＞1.5%）。通過采取這些技術措施，因還原氣氛造成的硫排放有所降低，達到低于日本環(huán)保標準值的水平。

4　結語

SNCR系統(tǒng)是水泥生產線降低NOX發(fā)生的有效措施，合理的工藝設計和設備選型不但能使排放濃度達標，而且可以減少企業(yè)的環(huán)保負擔。

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

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

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

TQ172.622.29

A

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通訊地址：中材水泥有限責任公司，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［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012.11.