水泥爐窯用SNCR脫硝技術(shù)分析及市場展望

潘嘉航，沈利杰，徐 斌

（桐鄉(xiāng)亞泰新能源科學(xué)研究院有限公司，浙江 嘉興 314500）

水泥爐窯用SNCR脫硝技術(shù)分析及市場展望

潘嘉航，沈利杰，徐 斌

（桐鄉(xiāng)亞泰新能源科學(xué)研究院有限公司，浙江 嘉興 314500）

燃煤工業(yè)鍋爐脫硝為“十二五”期間的重點(diǎn)環(huán)保項(xiàng)目，介紹了國內(nèi)水泥爐窯的脫硝現(xiàn)狀，以及現(xiàn)有的脫硝工藝及優(yōu)缺點(diǎn)；提出選擇性非催化還原（SNCR）脫硝工藝作為水泥企業(yè)的首選工藝，具有脫硝效率高、氨逃逸率低、設(shè)備成本及運(yùn)行成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，將成為水泥脫硝技術(shù)的主流。

水泥爐窯;煙氣脫硝;選擇性非催化還原（SNCR）

1 背景

目前，我國擁有水泥企業(yè)近5000家，2012年全年規(guī)模以上水泥企業(yè)水泥產(chǎn)量達(dá)21.84億噸，居世界首位。與此同時，也給環(huán)境帶來了巨大的壓力。據(jù)測算，水泥行業(yè)顆粒物排放量占全國顆粒物排放量的15%～20%，SO2排放量占全國SO2排放量的3%～4%，而NOx排放量占全國NOx排放量的10%～12%，僅次于火電廠和機(jī)動車的NOx排放量，已成為第三大NOx產(chǎn)生源，減排任務(wù)十分嚴(yán)峻。

“十一五”期間，國家明確要求對火電、鋼鐵、水泥等高排放行業(yè)以及燃煤工業(yè)鍋爐實(shí)施高效除塵改造，“十二五”逐漸將重點(diǎn)從“除塵”轉(zhuǎn)向“脫硝”，將NOx納入主要污染物總量減排四項(xiàng)約束性指標(biāo)之一，排放總量要削減10%[1]。2012年，環(huán)境保護(hù)部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的征求意見稿，其中指出，至2013年7月1日起，新建企業(yè)氮氧化物的排放量不得超過320mg/m3。面對巨大的環(huán)境壓力，水泥爐窯排放脫硝迫在眉睫。

2 水泥爐窯的脫硝現(xiàn)狀

回轉(zhuǎn)窯是新型干法水泥物料燒成的關(guān)鍵技術(shù)裝置，是水泥行業(yè)NOx的主要來源，其中NO2一般僅占NOx總量的10%以下，NO則占總量的90%以上。

我國新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯上常用的工藝過程N(yùn)Ox控制技術(shù)主要有：1）優(yōu)化窯和分解爐的燃燒制度；2）改變配料方案，摻用礦化劑以求降低熟料燒成溫度和時間，改進(jìn)熟料易燒性；3）采用低NOx的燃燒器；4）在窯尾分解爐和管道中的階段燃燒技術(shù)。

然而，即使把上述4種措施全部采用起來，事實(shí)上水泥爐窯的NOx排放也很難達(dá)到400mg/Nm3以下。因此，采用選擇性非催化還原脫硝技術(shù)（SNCR）或選擇性催化還原脫硝技術(shù)等在煙氣中噴入還原劑進(jìn)一步降低NOx排放的措施是非常有效的途徑。

3 我國現(xiàn)有的脫硝工藝及優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 燃燒過程中的脫硝

該項(xiàng)技術(shù)雖然成本較低，而且后期幾乎沒有運(yùn)行成本，但由于工藝技術(shù)的局限性，其脫硝效率不高，通常只能脫硝5%～15%[2]，達(dá)不到國家“十二五”規(guī)劃的要求。

3.2 SCR（選擇性催化還原）技術(shù)

該技術(shù)脫硝效率高，但是整套工藝無論是初期的設(shè)備安裝還是后期的運(yùn)行、維護(hù)，成本都十分巨大，并且由于水泥企業(yè)廢氣的粉塵濃度很高，堿金屬含量較高，易使催化劑中毒或堵塞，另外催化劑容易受多種因素影響失效，使其不適合在水泥行業(yè)應(yīng)用。

3.3 SNCR（選擇性非催化還原）技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)在國外應(yīng)用的已較為成熟，不但脫硝效率能達(dá)到“十二五”規(guī)劃的要求，而且安裝、運(yùn)行成本低，是現(xiàn)在水泥企業(yè)脫硝的主流技術(shù)。

4 SNCR脫硝技術(shù)

4.1 技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)：1）NOx的脫除效率≥60%；2）氨的逃逸率≤10ppm。

4.2 SNCR脫硝技術(shù)

選擇性催化還原（SCR）脫除NOx的運(yùn)行成本主要受上述催化劑使用條件的影響。因此，一種不需要催化劑的選擇性還原過程被引入水泥行業(yè)，這就是選擇性非催化還原（Selective Non-catalytic Reduction，SNCR）脫除NOx技術(shù)。該技術(shù)是把含有NHx基的還原劑，噴入爐膛溫度為800℃～1100℃的區(qū)域，還原劑迅速熱解生成NH3并與煙氣中的NOx進(jìn)行SNCR反應(yīng)生成N2。

選擇性非催化還原（SNCR）是指在無催化劑的作用下，在適合脫硝反應(yīng)的“溫度窗口”內(nèi)噴入還原劑，將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮?dú)夂退Ｔ摷夹g(shù)一般采用爐內(nèi)噴氨、尿素或氰胺酸作為還原劑還原NOx。還原劑只和煙氣中的NOx反應(yīng)，一般不與氧反應(yīng)[3]。由于該技術(shù)不采用催化劑，所以這種方法被稱為選擇性非催化還原法（SNCR）。

由于該工藝不采用催化劑，因此必須在高溫區(qū)加入還原劑。還原劑噴入爐膛溫度為850℃～1100℃的區(qū)域，迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和水。采用氨作為還原劑的SNCR稱為DeNOx法，尿素為還原劑的為NOxOUT法[4]。實(shí)驗(yàn)證明：溫度區(qū)間位于730℃～950℃時，選用氨水作為還原劑的脫硝效率要高于選用尿素的脫硝效率。而還原劑在最佳溫度窗口停留時間越長，則脫除NOx的效果越好。停留時間超過1s則可出現(xiàn)最佳NO脫除率。

用氨水做還原劑的主要反應(yīng)如下：

4.3 影響水泥爐窯SNCR系統(tǒng)市場前景的關(guān)鍵因素

1）選擇合適的溫度區(qū)域進(jìn)行還原劑的噴射以及還原劑在反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)的停留時間。試驗(yàn)研究證實(shí)，在初始的0.3s內(nèi)，脫除反應(yīng)速率非?？?，大約能達(dá)到40%的總脫硝效率，隨后反應(yīng)速率明顯下降，1.7s內(nèi)僅增加32%[5]。因此，初始階段非常重要。在SNCR過程中溫度的影響存在著兩種趨勢：一方面是溫度的升高促進(jìn)NHx的氧化，使NO脫除率下降；另一方面溫度的降低會使NH3的反應(yīng)速率下降，也會導(dǎo)致NO脫除率下降。因此，最佳溫度是這兩種趨勢對立統(tǒng)一的結(jié)果。2）最大化的將還原劑與煙氣混合，是使其充分反應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，是保證在適當(dāng)?shù)腘H3/NOx摩爾比下得到較高的NOx脫除率的重要環(huán)節(jié)。但由于水泥爐窯的尺寸、負(fù)荷變化范圍大，因而增加了煙氣與還原劑充分混合的難度。3）水泥爐窯SNCR系統(tǒng)的二次污染主要來源于氨水泄漏、系統(tǒng)的氨逃逸。在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間內(nèi)停留足夠的時間，以及將還原劑和煙氣最大程度地混合是保證氨逃逸率低的關(guān)鍵技術(shù)。

5 煙氣脫硝工藝

5.1 SNCR脫硝系統(tǒng)工藝流程（見下圖）

SNCR系統(tǒng)工藝流程圖

相對于現(xiàn)在的脫硝工藝，該系統(tǒng)更加簡潔。系統(tǒng)共分為四大模塊：儲存模塊、分配模塊、控制模塊以及噴射模塊。不僅安裝、施工方便，而且也便于后期的系統(tǒng)維護(hù)工作。

（1）儲存模塊

氨水儲存的罐體采用不銹鋼制材，從而使其具有較強(qiáng)的耐腐蝕性；對罐體采取相應(yīng)的氨水泄漏保護(hù)裝置，首先加裝噴淋裝置，該裝置覆蓋整個罐體，一旦有氨水泄漏會在第一時間將其溶于水中，將危害降到最低；其次，整個地面呈斜坡狀，底端設(shè)有氨水回收池。

（2）分配模塊

主要部件為輸送泵，其中一備一用。其功能是執(zhí)行控制系統(tǒng)傳輸過來的信息，并為氨水（還原劑）輸送到噴射點(diǎn)提供動力。

（3）控制模塊

將安裝在分解爐處的煙氣感應(yīng)裝置傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行反饋處理，并將處理后的信息傳輸至各個閥門控制開關(guān)及泵的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

（4）噴射模塊

主要結(jié)合計(jì)算機(jī)流體力學(xué)選點(diǎn)技術(shù)對溫度場進(jìn)行分析，利用噴嘴進(jìn)行最大程度地霧化，找出噴射位置的最優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行噴射。而噴射系統(tǒng)不僅要求霧化效果好，且抗震、耐磨。

5.2 示范工程成本分析

（1）工程基本資料

5000t/d新型干法生產(chǎn)線；煙氣量45萬Nm3/h；NOx初始排放濃度＞900mg/m3；設(shè)計(jì)壽命＞10年；系統(tǒng)可利用率≥98%；NOx脫除效率≥60%；逃逸率（氨）≤10ppm。

（2）還原劑

成本計(jì)算方法：每m3需脫除的NOx的濃度Δ（mg/m3）：

其中：P1表示NOx的初始濃度，P2表示NOx所需達(dá)到的濃度。

每小時所需脫除的NOx的量A（t/h）：

其中：h表示每小時排除的煙氣量。

每小時脫除NOx所需的氨水量B（NOx中的NO/NO2按9∶1，用濃度為20%的氨水）。

從而計(jì)算出生產(chǎn)1t熟料所需增加的氨水費(fèi)用C：

其中：D表示20%氨水的單價（本設(shè)計(jì)按700元/t進(jìn)行計(jì)算，T表示該生產(chǎn)線的日生產(chǎn)能力，1.25為修正系數(shù)。

最后算出：C = 2.85元/t。

（3）電費(fèi)

卸料泵及輸送泵的費(fèi)用為1.5kW×24h = 36度/d；工業(yè)用電每度按照0.8元計(jì)算，則每噸水泥熟料所增加的費(fèi)用為36×0.8÷2500 = 0.011元/t；空壓機(jī)電機(jī)為15kW×24h=360度/d。

工業(yè)用電每度按照0.8元計(jì)算，則每噸水泥熟料所增加的費(fèi)用為：360×0.8÷2500 = 0.11元。

（4）其他費(fèi)用

人工費(fèi)按當(dāng)?shù)厝斯べM(fèi)計(jì)算。

6 結(jié)語

從我國水泥行業(yè)現(xiàn)有的NOx控制技術(shù)的使用情況來看，除了一些水泥廠采用低氮燃燒器設(shè)計(jì)，部分新型干法窯通過控制分解爐產(chǎn)生還原性氣氛來削減NOx，以及極少數(shù)生產(chǎn)線采用了SNCR技術(shù)脫硝外，其余基本未采取任何措施降低NOx的排放。隨著《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的修訂，將為水泥行業(yè)脫硝工作提出明確的目標(biāo)，同時也為水泥行業(yè)的脫硝市場提供了動力，促使其進(jìn)行脫硝工程的建設(shè)和技術(shù)改造。因此，我國水泥工業(yè)的脫硝市場潛力巨大。

[1]“十二五”四項(xiàng)污染物減排約束性指標(biāo)[Z].

[2]邱廣明，張慧娟，閻志勇，等.燃煤鍋爐低NOx燃燒技術(shù)研究[J].環(huán)境保護(hù)，2000（4）：10-12.

[3]吳碧君，王述剛，方志星，盛永校，等.煙氣脫硝工藝及其化學(xué)反應(yīng)原理分 析[J].熱力發(fā)電，2006（11）：59-64.

[4]段傳和，夏懷祥，等.選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝[M].北京：中國電力出版社，2012，1：18-24.

[5]牛勝利，韓奎華，路春美.生物質(zhì)先進(jìn)再燃脫硝特性研究[J].燃燒化學(xué)學(xué)報，2010（6），38：745-751.

Analysis of SNCR Denitration Technology in Cement Kiln and Market Prospect

PAN Jia-hang, SHEN Li-jie, XU Bin

X701

A

1006-5377（2014）04-0044-03