水泥脫硝綜合評估分析——以四川省某水泥企業(yè)為例

邱 凌，王麗娟，趙 磊，唐小軍，王思揚

(四川省環(huán)境保護科學研究院，成都 610041)

2011年四川省水泥窯合計357臺，NOX排放量達到12.04萬噸，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。《國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》中已把NOX降低10%作為“十二五”目標值，并明確提出“新型干法水泥窯要進行低氮燃燒技術(shù)改造，新建水泥生產(chǎn)線要安裝不低于60%的脫硝設(shè)施”。目前我國水泥行業(yè)尚未開展有效的NOX排放控制工作，NOX減排形勢非常嚴峻，水泥工業(yè)脫硝工作勢在必行。

隨著國家將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，綜合評估其脫硝效果及經(jīng)濟技術(shù)可行性以期為我省全面開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)脫硝綜合評估

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

1.1 低氮燃燒技術(shù)

1.1.1 分解爐的分級燃燒

在分解爐采用分級燃燒技術(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］。該線主要是風分級，將30%～40%的三次風接入分解爐中部，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，在燃燒過程中，氧含量愈高，產(chǎn)生的NOX也愈高。通過降低火焰的峰值溫度和促使燃燒在局部還原氣氛內(nèi)進行，可實現(xiàn)降低NOX排放。主要的特點是節(jié)能 (通過大幅度減少一次風量)和減少環(huán)境污染 (通過降低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。控制原料配比是指加入礦化劑，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)。

總的來說，采用低氮燃燒技術(shù)具有工藝操作影響小、工程投資和運行成本相對低廉以及綜合脫硝效果較好的優(yōu)點。但是對于老廠，燃燒器的改良后對煤質(zhì)要求高，控制、供風系統(tǒng)的配套投入等間接成本也要相應(yīng)增加;分解爐的分級燃燒改造受到分解爐自身條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度，操作難度增大，因此對于老廠，低氮燃燒技術(shù)降低NOx的程度有限。

1.2 脫硝綜合評估分析

1.2.1 一次風量

我們所說的一次風與國外和國內(nèi)有些人所說的不同，他們把凈風叫“一次風” (primary air)［3］，我們在這里所定義的一次風是包括煤風在內(nèi)的所有從噴煤管噴出入窯的常溫風，與由冷卻機入窯的高溫二次風和由冷卻機或窯頭罩抽取到窯尾的中溫三次風相對應(yīng)［4］。一次風量降低，勢必多用高溫二次風，才能滿足煤粉完全燃燒所需的氧氣量。國內(nèi)外的理論分析和生產(chǎn)統(tǒng)計均表明;一次風每降低1% ，熟料單位熱耗便可降低(2～3)×4.18kJ/kg熟料［5］。

一次風的大小以一次風率ψ來表示，即一次風量占煤粉完全燃燒時所需理論空氣量的比值。一次風量與送煤風風量、凈風風量 (見表1)有關(guān)以及窯頭風量有關(guān)，燃燒時所需理論空氣量即單位熟料需要的窯頭風量。計算公式如下:

式中:ψ為一次風量比例，%;q1為煤粉完全燃燒時所需的標態(tài)一次風，Nm3/min;q為單位熟料需要的窯頭風量，Nm3/min;α為窯尾過剩空氣系數(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機的參數(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)用上述公式計算得到窯頭風量為 77438.05～81740.17m3/h，一次風比例為11.3%～11.9%，與改造前一次風消耗量(11%～13%)相比有所降低。通過一次風量的減少來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 脫硝效果評估

目前采用的低氮燃燒技術(shù)包括分級燃燒、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到30%(見表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變化較大，特別是在超產(chǎn)情況下分級燃燒的效率要大打折扣。

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

2 SNCR脫硝綜合評估

通過對生產(chǎn)能力為3800t/d的新型干法窯采用SNCR煙氣脫硝工程技術(shù)特點進行分析，評估其脫硝效果。

2.1 采用SNCR脫硝技術(shù)

SNCR技術(shù)目前在國內(nèi)的應(yīng)用較少;歐美國家的水泥廠應(yīng)用較多，德國有70%以上的新型干法水泥廠都采用了這項技術(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，由于成本過高，使用尿素脫硝累計時間僅為105個小時，并2012年4月份改為氨水還原劑，截止2012年年底已累計運行600多個小時。

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)進行選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOX轉(zhuǎn)化成無污染的N2。

2.1.2 工藝流程

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

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

2.2 脫硝綜合評估分析

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量的摩爾比進行了對比。

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)劑的投資運營成本對比

SNCR脫硝系統(tǒng)主要包括尿素存儲系統(tǒng)、尿素溶液配制系統(tǒng)、尿素溶液儲存系統(tǒng)、溶液噴射系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、安全消防設(shè)施以及其他設(shè)備，合計投資為195萬元。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)、一個氨水儲存罐以及氨水揮發(fā)氣體回收系統(tǒng)，投資增加了50萬左右。以3800t/d生產(chǎn)線SNCR運行費用為例，標態(tài)下煙氣量為 300000Nm3/h，NOX原始標態(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)運行費用比較情況如表4。

表4 使用氨水、尿素作還原劑的SNCR系統(tǒng)運行費用比較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行成本比使用尿素作為還原劑運行成本低，節(jié)約近30%，具有更好的經(jīng)濟可行性。

2.2.3 SNCR選擇不同還原劑脫硝綜合評估

SNCR選擇尿素和氨水作為還原劑進行脫硝，并從工藝系統(tǒng)影響，脫硝效率為30%時所需的運行成本，脫硝潛力以及存在問題方面進行了對比分析，見表5。

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

工程實踐表明，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)及布置簡單，很適合于在老廠的改造和新線設(shè)計中采用。水泥行業(yè)實施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，化學反應(yīng)效率高，脫氮率高，對主體設(shè)備影響小，經(jīng)濟性更佳。如果單純使用SNCR的脫硝率有限，超過50%脫硝率時系統(tǒng)不穩(wěn)定，還原劑更換為液氨就可以有效解決這個問題，但使用液氨存在的安全風險非常高。

3 低氮燃燒技術(shù)+SNCR

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

從技術(shù)可行性來看，綜合脫硝效率達到50%～60%是可行的，但仍存在一些問題: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變化較大，特別是在超產(chǎn)情況下分級燃燒的效率要大打折扣;SNCR的脫硝效率在50%以下時較為穩(wěn)定，超過50%時系統(tǒng)不穩(wěn)定，使用液氨作為還原劑可以有效地解決這個問題，但使用液氨存在的安全風險非常高。

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

從經(jīng)濟可行性來看，按照目前水泥市場的情況，工廠能承受的脫硝綜合運行成本在3元/噸熟料，如果超過這個值，企業(yè)很難承受，而且要達到穩(wěn)定運行，長期運行成本的影響非常大。如果要長期穩(wěn)定運行達到70%的綜合脫硝率，配套政策必須非常強，比如水泥企業(yè)生產(chǎn)電價優(yōu)惠就可以作為重點考慮，單純的建設(shè)項目補貼無法保證設(shè)施正常運轉(zhuǎn)，任何升高成本的做法都會存在執(zhí)行難的問題。

總的來說，低氮燃燒技術(shù)+SNCR的脫硝效率達到50%～60%從技術(shù)經(jīng)濟上是可行的，同時需要我們從現(xiàn)場操作、環(huán)境管理等方面解決好技術(shù)問題，通過配套經(jīng)濟補貼政策支撐鼓勵企業(yè)積極開展脫硝工程建設(shè)，并使之穩(wěn)定運行。

基于對氨逃逸方面的擔心，氨逃逸先經(jīng)過生料磨吸收，達到空預器的逃逸氨濃度更低。低于10ppm對水泥設(shè)備影響極小，可以忽略不計。如果太低 (如3ppm)技術(shù)實現(xiàn)困難;太高對附屬設(shè)備影響大，運行成本高［7］。就目前而言，氨逃逸的監(jiān)測目前在水泥行業(yè)尚無應(yīng)用。

4 政策建議

4.1 采用低氮燃燒器、分解爐分級燃燒等低NOX燃燒技術(shù)相對SNCR技術(shù)具有費用相對低廉的優(yōu)點，但對于工藝改造難度大或不具備改造條件(如沒有設(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);對于具備采用新技術(shù)條件、位于重點區(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、分解爐分級燃燒、SNCR技術(shù)等，穩(wěn)定達到50%～60%綜合脫除效率從技術(shù)是可行的。積極開展水泥行業(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 進行NOX減排改造，需要比較高的技術(shù)支撐，意味著對水泥企業(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)升級過程中，只有實現(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)定開展。

4.3 借鑒歐盟現(xiàn)有的標準，綜合考慮我國環(huán)保技術(shù)的發(fā)展水平及企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，合理確定我國新的排放標準，并循序漸進、逐步推進，既有利于完成減排目標、保護環(huán)境，又有利于水泥工業(yè)的健康發(fā)展。設(shè)計時NOX初始值的選取必須具有代表性;目前國內(nèi)水泥項目NOX初始濃度為600～1200mg/Nm3，如果達到排放標準 (預測新標準300～500mg/Nm3)所需的脫硝率約為40%～75%［9］。要使脫硝效率穩(wěn)定達到70%以上，對運行成本和管理水平要求非常高，就目前企業(yè)現(xiàn)狀來說困難非常大。因此，合理制定我國新的排放標準顯得尤為重要。

4.4 加強水泥行業(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)行更嚴格的水泥行業(yè)NOX排放標準，避免企業(yè)無所作為從而引發(fā)更多的區(qū)域性市場問題。

4.5 水泥行業(yè)是一個完全市場化的行業(yè)，在執(zhí)行未來新標準中，加以經(jīng)濟杠桿的調(diào)節(jié)將是加快NOX減排最有效的助推器。借鑒對燃煤發(fā)電廠的環(huán)境經(jīng)濟政策，對實施脫硝改造的企業(yè)給予脫硝投資補貼，尤其提高脫硝水泥企業(yè)的電價補貼即根據(jù)企業(yè)綜合脫硝效率，分級制定水泥企業(yè)生產(chǎn)電費優(yōu)惠額度。這樣無疑會調(diào)動企業(yè)積極性，促進全行業(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形成機理及處理技術(shù)［G］.中國水泥，2010，5:55-59.

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

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

［5］容永泰.水泥回轉(zhuǎn)窯的噴燃管［J］.新世紀水泥導報，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:中國環(huán)境科學學術(shù)年會論文集，2011.1296-1299.

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