淺談工業(yè)窯爐煙氣脫硝工藝技術的應用

尹海濱

（江蘇科行環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 鹽城 224051）

淺談工業(yè)窯爐煙氣脫硝工藝技術的應用

尹海濱

（江蘇科行環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 鹽城 224051）

工業(yè)窯爐的NOx的減排需要技術的支持。在分析現(xiàn)有成熟脫硝技術的基礎上，結合玻璃窯爐和水泥窯爐各自的情況，提出工業(yè)窯爐的可行脫硝工藝，并通過工程實踐尋求證實和不斷優(yōu)化。

工業(yè)窯爐脫硝;水泥窯;玻璃窯爐;SCR/SNCR;工程案例

1 引言

隨著國家對大氣污染控制的要求日漸嚴格，限制排放的污染物種類也在逐步增多，氮氧化物的排放治理要求已經再次被明確化。如2004年發(fā)布的《水泥廠大氣污染物排放標準》中對NOx排放要求為≤800mg/Nm3；2011年4月2日發(fā)布的《平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準》中NOx排放的要求為≤700mg/Nm3；2011年7月發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標準》中對NOx排放要求為≤100mg/Nm3。

在工業(yè)窯爐的煙氣治理上，國家和地方政府的政策以及企業(yè)自身都要求推進脫硝裝置的配備與升級。大型火電廠的煙氣脫硝技術使用較早，給工業(yè)窯爐的脫硝治理提供了可借鑒的技術參考。工業(yè)窯爐煙氣脫硝技術的應用，必將成為繼火電脫硝之后的重要環(huán)保舉措。

2 國內主要工業(yè)窯爐概況

窯爐是用耐火材料砌成、用以煅燒物料或燒成制品的設備。按煅燒的物料品種主要分為水泥窯、玻璃窯、搪瓷窯、陶瓷窯、石灰窯等。根據(jù)現(xiàn)有環(huán)保標準，水泥窯和玻璃窯已經有了對氮氧化物的排放要求。

2.1 水泥窯

2000年以來，新型干法水泥窯爐的大量推廣，改變了原來以立窯為主的水泥生產格局，有力推動了節(jié)能環(huán)保工作的開展。新型干法水泥技術是以懸浮預熱和預分解技術裝備為核心，以先進的環(huán)保、熱工、粉磨、均化、儲運、在線檢測、信息化等技術裝備為基礎；采用新技術和新材料；節(jié)約資源和能源，充分利用廢料、廢渣，促進循環(huán)經濟，實現(xiàn)人與自然和諧相處的現(xiàn)代化水泥生產方法。

目前國內共有新型干法水泥生產線約1600條，年水泥產量約20億噸，氮氧化物年排放量約220萬噸（見圖1）?？傮w水泥窯爐氮氧化物原始排放值在800～1000mg/Nm3?，F(xiàn)環(huán)保要求為≤800mg/Nm3，但由于國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃對氮氧化物的減排提出了明確要求，部分省市已將標準提高，如廣東省部分區(qū)域新建線和現(xiàn)有線執(zhí)行≤500mg/Nm+標準，福建省改造線執(zhí)行≤550mg/Nm3標準，浙江省杭州水泥企業(yè)執(zhí)行≤150mg/Nm3標準等。據(jù)悉，2012年國家將會再次調高水泥窯爐氮氧化物排放要求。

圖1 氮氧化物貢獻比例圖

2.2 玻璃窯爐

隨著國內房地產行業(yè)的突飛猛進，帶動了建材行業(yè)的產能快速增長，玻璃行業(yè)中以平板玻璃產量為最。據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，國內平板玻璃的生產線已超260條，2011年全國浮法玻璃產量達7.38億重量箱，平板玻璃氮氧化物年排放量約11萬噸（估算值）。對于現(xiàn)在玻璃窯爐不同燃料的使用情況，氮氧化物原始排放濃度基本在1800～2800mg/Nm3，對于部分采用純氧燃燒和富氧燃燒技術的窯爐，氮氧化物原始排放濃度基本可小于700mg/Nm3。

目前，就國內工業(yè)窯爐的脫硝，國家尚未出臺相關鼓勵政策，部分環(huán)保先行省份有各自不同的補助標準，如江蘇科行公司承擔的陜西聲威、寧夏平羅恒達兩家水泥企業(yè)的脫硝工程水泥企業(yè)都得到了當?shù)卣?0%的補貼；杭州的補貼上限比例是70%。關于工業(yè)窯爐脫硝的補助措施，仍會有一系列的爭論和探討。

3 脫硝技術應用

工業(yè)窯爐位于我國氮氧化物排放貢獻率的第三名，僅次于火電和機動車排放量，其中又以水泥行業(yè)的排放量最高?！笆濉逼陂g，在氮氧化物減排政策的總體規(guī)劃和各級政府、環(huán)保部門的要求下，工業(yè)窯爐的脫硝也將呈現(xiàn)出強大的市場需求。

3.1 主要脫硝技術及比較

煙氣中氮氧化物的處理階段一般分為燃料前期處理、燃燒過程控制和后期煙氣脫硝。燃料前期處理即是對燃料進行脫氮處理，暫無工業(yè)應用；燃燒過程控制主要是改善燃燒狀態(tài)，控制過量空氣、降低燃燒溫度、煙氣還原場等原理；而后期煙氣脫硝技術主要是選擇性非催化還原反應（SNCR）技術、選擇性催化還原反應（SCR）技術和聯(lián)合脫硝技術（SNCR+SCR）以及正在發(fā)展的一體化脫硝技術。另外還有微生物法、電子束法、活性炭吸附法等技術，但均因運行成本、操作難度等原因未得到工程應用與推廣。

（1）低氮燃燒技術和低氮燃燒器

低氮燃燒技術只有初期的投資而沒有運行費用，是一種比較經濟的控制氮氧化物的方法。它根據(jù)氮氧化物的生成原理主要有燃料型、熱力型和瞬時型，低氮燃燒技術主要是控制熱力型氮氧化物的生成量，分解已生成的氮氧化物。設備上主要是采用低氮燃燒器，工藝上有空氣、燃料分級技術、還原爐膛等技術，采用冷卻、循環(huán)等方式控制燃燒溫度，減少空氣在高溫區(qū)的停留時間等，從而達到低氮燃燒的目的。低氮燃燒器主要有混合促進型、自身再循環(huán)型、多股燃燒型、階段燃燒型和噴水燃燒型等，通過調整燃燒理論當量比、降低燃燒溫度、降低空氣濃度等技術原理，達到控制氮氧化物產生的目的。

（2）純氧、富氧燃燒

該技術與低氮燃燒技術的出發(fā)點相同，均是降低熱力型氮氧化物的生成，此技術是直接降低進入燃燒區(qū)域的氮氣含量，減少熱力型氮氧化物的氮氣來源。在燃燒中，不但可做到降低氮氧化物生成量，還因燃燒煙氣量的減少，降低了熱耗損失，其較高的燃燒效率，有較明顯的節(jié)能效果。但在氧氣的制備設備和燃燒窯爐成本上有所增加，是較有潛力的節(jié)能環(huán)保技術。

（3）選擇性非催化還原反應（SNCR）技術

SNCR原理是氨基還原劑在850℃～1050℃的溫度下，與煙氣中的NOx反應生成無害的氮氣和水。無需專門的反應器，在煙道、允許的爐膛均可實施脫硝。噴入的還原劑一般為液態(tài)，可采用的還原劑有氨水和尿素。主要由還原劑制備系統(tǒng)（尿素溶液制備、存儲或是氨水的存儲）、高流量循環(huán)模塊、稀釋計量模塊、分配模塊、稀釋水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)組成。脫硝效率在30%～70%。

（4）選擇性催化還原反應（SCR）技術

SCR原理是在催化劑和合適的溫度條件下，促使噴入的氨基還原劑與煙氣中的NOx反應生成無害的氮氣和水。這種技術需要有催化劑和專門的反應器，工藝布置需要考慮整體布局。噴入的還原劑為氣態(tài)，可采用的還原劑有氨水、尿素和液氨，以上還原劑原料需有各自的制備工藝。主要由還原劑存儲制備系統(tǒng)、計量稀釋組件、噴氨組件和反應器（催化劑）組成。脫硝效率可達90%及以上。

（5）SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術

該技術的誕生，可較好解決SCR一次投資過高及SNCR無法達到現(xiàn)有環(huán)保要求的問題。采用投資少的SNCR作為一次脫硝，再通過SCR完成二次脫硝，其中采用的氨基還原劑可得到較好的連續(xù)利用，氨逃逸僅為SCR水平，聯(lián)合脫硝中的SCR部分投資比僅采用SCR的投資節(jié)省超過1/3，是較為經濟的組合脫硝技術。該技術同時可為后期更嚴格的NOx減排要求預留能力。

（6）一體化脫硝技術和活性炭脫硝技術

該技術可同時處理多種污染物，一直是環(huán)保行業(yè)的重點研究方向，現(xiàn)多數(shù)技術都在研究和試驗中，但暫未能工業(yè)化應用?；钚蕴孔鳛橐惑w化技術中的可行方案，其可行性已經得到認可，其在低溫脫硝上也具有較強的適應能力，因而活性炭脫硝技術會在今后有較大的發(fā)展。

綜上，工業(yè)應用上較成熟的煙氣氮氧化物控制技術主要是低氮燃燒、SNCR技術和SCR技術。

3.2 工業(yè)窯爐脫硝技術方案

平板玻璃窯爐和新型干法水泥窯是工業(yè)窯爐中典型的兩類窯爐。其煙氣脫硝治理技術的研究和探索，具有較強的現(xiàn)實意義。針對現(xiàn)有技術及應用情況，主要有以下脫硝工藝方案。

（1） 玻璃窯爐

玻璃窯爐中，現(xiàn)規(guī)模和產量最大的是平板玻璃。在平板玻璃窯爐煙氣脫硝技術的選擇上，至少需要考慮如下幾點：

1）脫硝效率要求。按現(xiàn)《平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準》要求，NOx排放濃度為≤700mg/Nm3，以現(xiàn)有窯爐煙氣初始氮氧化物排放濃度（不含純氧、富氧燃燒窯爐）為2200mg/Nm3，脫硝效率＞70%，且須有達到更高要求的能力。

2）粉塵適應性。需能滿足玻璃窯爐具有黏性的超細粉塵。某玻璃窯爐的粉塵粒徑分布情況見表1，玻璃窯爐的灰分分析結果見表2。

3）堿性氧化物的影響。從表1、表2可見，玻璃窯爐爐灰中Na2O占有較大比例，若采用SCR脫硝技術，則必須考慮催化劑的耐受性和降低堿性氧化物的措施。

表1 某玻璃窯爐的粉塵粒徑分布

表2 某玻璃窯爐灰分分析

4）合理脫硝溫度段的選擇。玻璃窯爐中，熔窯內溫度約1600℃，主煙道出口400℃～550℃。

5）對玻璃窯爐的影響。對玻璃窯爐壓力、風量、溫度的影響。

根據(jù)以上條件，可選擇高溫電除塵+SCR脫硝技術，原因如下：

1）窯爐的溫度段，SNCR技術難以采用，且無法一次達到脫硝要求。

2）通過與余熱鍋爐的結合，可有效解決窯爐的溫度段問題，因而可采用SCR脫硝技術。

3）低氮燃燒技術無法一次達到脫硝要求，且對窯爐生產有影響，可作為后期環(huán)保要求提高后的改造措施。

4） 在SCR反應器前采用合理優(yōu)化后高溫除塵予以收集粉塵，可減少堿性氧化物對催化劑的損害。

玻璃窯爐脫硝工藝見圖2、圖3。

圖2 玻璃窯爐脫硝工藝圖

圖3 玻璃窯爐脫硝工藝

目前國內玻璃窯爐的燃料主要為重油、石油焦、天然氣、煤制氣等。因采用燃料的不同，煙氣成分也有差異，在脫硝的選擇上也會有不同側重點。在工藝布置上，根據(jù)窯爐灰分的具體情況，可選擇以上兩種工藝布置。圖3中的玻璃窯爐脫硝工藝增加了煙氣調質功能，起到了改善粉塵比電阻和降低粉塵黏性的作用，更適合玻璃窯爐煙氣脫硝。

玻璃窯爐煙氣脫硝還原劑的選擇可采用液氨或氨水。要根據(jù)廠區(qū)自身情況選擇，如部分廠內有液氨儲備，則適合選擇液氨作為還原劑；對于附近有氨水供應的玻璃廠來說，氨水將更適合，且在部分窯爐上可做到氨水直噴，可減少氨水制備氨氣的設備投入和運行成本。

（2）水泥窯爐

新型干法水泥窯采用了窯外預分解和懸浮預熱技術，其燃料的燃燒分為窯內燃燒和窯外預分解燃燒。其中約60%的燃料在分解爐內燃燒，燃燒溫度在900℃范圍，氮氧化物生成主要來自燃料燃燒，總生成量小；另約40%的燃料于回轉窯內燃燒，燃燒溫度在1600℃以上，此溫度下，除有燃料自身燃燒產生的氮氧化物外，還有較多的熱力型氮氧化物生成。部分生產線采用的低氮燃燒技術，整體排放濃度在800mg/Nm3左右。

對于水泥窯煙氣脫硝，需至少考慮以下幾點：

1）可提升的脫硝效率要求。水泥窯爐現(xiàn)執(zhí)行的是2004年出臺的《水泥廠大氣污染物排放標準》，其對氮氧化物的要求已不太適應，今后標準必將會趨嚴。國家已經在制定新的水泥大氣污染物排放標準，各省市為完成氮氧化物的總量控制目標，也都制定了區(qū)域目標。

2）溫度適應性。從溫度上來說，工藝內具備SNCR的脫硝條件。懸浮預熱器出口溫度約350℃，同時適應SCR的脫硝溫度需求。

3）高濃度粉塵的影響。懸浮預熱器出口粉塵濃度高達60g/Nm3以上。某水泥窯灰分分析結果見表3。

表3 某水泥窯灰分分析情況

4）對水泥窯爐產量的影響。

根據(jù)以上條件，SCR技術和SNCR技術均可適應于水泥窯爐脫硝（見圖4、圖5），低氮燃燒更在水泥窯爐上有先導作用。其中考慮高粉塵對SCR催化劑的影響，采用SCR脫硝進口高溫預除塵技術和調整催化劑抗磨性等方式來適應。對于現(xiàn)已對氮氧化物排放要求較高的部分省市，企業(yè)可直接采用低氮燃燒+SCR技術一步到位滿足排放要求；對于氮氧化物排放標準要求不高的地區(qū)，可采用低氮燃燒+SNCR技術，預留SCR。采用分步實施，在環(huán)保要求提高后，再上SCR，最后達到低氮燃燒+SNCR+SCR的脫硝工藝模式。對于現(xiàn)有水泥廠SCR脫硝的工藝設計可按圖5所示的流程進行工藝布置。不同技術對水泥窯爐的脫硝效果見表4。

圖4 水泥窯SNCR脫硝流程圖

圖5 水泥窯SCR脫硝工藝流程圖

表4 不同技術對水泥窯爐的脫硝效果

4 工程案例

隨著工業(yè)窯爐脫硝工作的開展，國內也出現(xiàn)工業(yè)窯爐的脫硝先驅者。在玻璃行業(yè)里有吳江南玻玻璃窯爐脫硝工程、東莞南玻玻璃窯爐脫硝工程、福建旗濱玻璃窯爐脫硝工程、江門華爾潤玻璃窯爐脫硝工程以及部分未安裝項目；水泥行業(yè)里有寧夏平羅水泥窯爐脫硝工程、陜西聲威建材水泥窯爐脫硝工程等。

4.1 吳江南玻玻璃有限公司天然氣浮法玻璃煙氣脫硝項目

該項目是國內第一個玻璃行業(yè)煙氣脫硝項目，項目中包括一條600t/d和一條900t/d特種浮法玻璃生產線。項目采用高溫除塵加SCR脫硝方式。設計要求為：出口氮氧化物濃度小于700mg/Nm3，粉塵濃度小于50mg/Nm3。該項目中兩條生產線現(xiàn)均完成了試運，脫硝效率大于80%，出口氮氧化物濃度可穩(wěn)定控制在小于400mg/Nm3，粉塵濃度小于50mg/Nm3，達到設計要求。該項目為中國玻璃行業(yè)第一個煙氣脫硝項目、第一個玻璃高溫除塵項目，開啟了國內浮法玻璃窯爐脫硝序幕。

4.2 陜西聲威建材集團有限公司1#2500t/d水泥新型干法生產線脫硝項目

該項目是國內較早的水泥窯脫硝項目。項目采用SNCR脫硝技術，還原劑可采用氨水或尿素。項目設計脫硝效率不小于60%，出口氮氧化物濃度小于400mg/Nm3，對窯爐產量影響小于±5%，經環(huán)保監(jiān)測驗證，效率穩(wěn)定在60.6%，達到設計要求?？刂葡到y(tǒng)接入水泥窯爐DCS系統(tǒng)，并設置在線煙氣檢測系統(tǒng)，實時檢測煙氣排放。

5 結語

“十二五”規(guī)劃提出的氮氧化物減排任務，對于工業(yè)窯爐是較大的考驗。在環(huán)保技術上將進入整合和總體控制階段，進一步改變以前較獨立的環(huán)保技術應用（如單純的脫硫、除塵）。在煙氣治理上，需要從工藝流程考慮，更要關注污染物的協(xié)同處理，促使多種技術創(chuàng)新與融合。目前國內企業(yè)將已有的火電脫硝相關技術應用經驗，結合各工業(yè)窯爐燃燒特點和煙氣的特點，予以創(chuàng)新、引進和整合，必將能滿足國家的環(huán)保要求。隨著時間的推移，脫硝技術也必將不斷發(fā)展，各工業(yè)窯爐的脫硝工藝也將逐步成熟和完備。

[1]大唐集團.燃煤電站煙氣脫硝工程技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]中國華電集團.火電廠煙氣脫硝技術導則[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3]徐勝利，尹殿中.純氧燃燒技術在玻璃池爐中的應用[J].玻璃與搪瓷，1996.

[4]梅朝鮮.純氧燃燒技術在水泥旋窯的應用分析[J].河南建材，2010.

Application of Flue Gas Denitrification Technology in Industrial Furnace

YIN Hai-bin
(Jiangsu Cohen Environmental Science and Technology Co., Ltd, Yanchen Jiangsu 224051, China)

The technical support for emission reduction of NOx in the industrial furnace is necessary. Based on the analysis of existing mature denitrification and the respective characteristics of glass and cement kilns, the paper puts forward the feasible denitrification process in industrial furnace. The paper finds out the confirmation and continuous optimization according to the engineering practice.

industrial furnace denitrification; cement kilns; glass furnace; SCR/SNCR; project cases

X701

A

1006-5377（2012）11-0016-05