水泥廠脫硝技術(shù)分析及在濟(jì)寧市氮氧化物減排中的應(yīng)用

閆煒

摘 要：我國“十一五”污染物減排時僅有二氧化硫（SO2）這一項大氣污染物約束性指標(biāo)，而氮氧化物（NOX）的污染日益嚴(yán)重，近年來，全國各地水泥廠已經(jīng)逐步新上了脫硝設(shè)施降低氮氧化物濃度、減少氮氧化物排放量，以應(yīng)對國家越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。該文對新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生氮氧化物的機(jī)理及脫硝原理和后期對氮氧化物的三種去除技術(shù)分別進(jìn)行了探討與比較，并在此基礎(chǔ)上，對濟(jì)寧市水泥廠氮氧化物的減排做了具體的分析。

關(guān)鍵詞：水泥廠 脫硝 氮氧化物 減排

中圖分類號：TQ172.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0175-02

我國氮氧化物的污染日益嚴(yán)重，國家“十二五”規(guī)劃中明確了氮氧化物這一大氣約束性指標(biāo)，并提出2015年全國氮氧化物排放量控制在2 046.2萬噸，比2010年下降10%。山東省的2015年氮氧化物排放量要求控制在174萬噸，比2010年下降16.1%，而省政府下達(dá)給濟(jì)寧市氮氧化物的減排目標(biāo)是比2010年削減19%，2015年的排放量控制在16萬噸，減排目標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家和山東省的目標(biāo)。但2011年國家污染物總量減排核查時發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了氮氧化物排放量不降反升的局面，全國各地的氮氧化物減排形勢異常嚴(yán)峻。深究原因，主要是由于燃煤電廠和水泥廠等排放氮氧化物大戶尚未大規(guī)模開展脫硝工程。據(jù)環(huán)保部門統(tǒng)計，水泥行業(yè)對氮氧化物的排放貢獻(xiàn)僅次于火力發(fā)電和機(jī)動車尾氣排放，排名第三。

濟(jì)寧市擁有新型干法水泥生產(chǎn)線7條，生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到24 700噸熟料/日。為響應(yīng)國家及水泥行業(yè)氮氧化物減排的要求，自2013年起，濟(jì)寧市各水泥廠逐步實施脫硝工程，氮氧化物濃度大幅下降，扭轉(zhuǎn)了氮氧化物排放量不降反升的尷尬局面。截至目前，濟(jì)寧市7條水泥生產(chǎn)線已經(jīng)全部實施了脫硝工程。該文主要就水泥廠產(chǎn)生氮氧化物的機(jī)理及后期對氮氧化物的去除技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步探討。

1 NOX的生成機(jī)理

新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯熟料煅燒過程中會產(chǎn)生濃度較高的氮氧化物，也是水泥行業(yè)氮氧化物產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)。水泥窯所產(chǎn)生的廢氣中，NO占比高達(dá)90%[1]，NO2占比僅為5%～10%左右。主要產(chǎn)物NO在水泥窯的燃燒過程中，其產(chǎn)生機(jī)理主要有兩種：燃料型和熱力型。

1.1 燃料型氮氧化物

燃料煤中氮的含量一般在0.52%～1.41%左右，主要以有機(jī)氮的形式存在，經(jīng)熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN、NHI等中間產(chǎn)物基團(tuán)，最終經(jīng)過氧化反應(yīng)生成NOX?？梢酝ㄟ^改變?nèi)紵龡l件、使用含氮低的燃料以及抑制燃料與空氣的混合等方法來減少氮氧化物的生成。

1.2 熱力型氮氧化物

當(dāng)回轉(zhuǎn)窯中燃燒溫度高于1500 ℃時，空氣中的N2和氧氣反應(yīng)生成氮氧化物。反應(yīng)公式如下：

N2+O2=2NO

2NO+O2=2NO2

根據(jù)公式可知，可通過降低燃燒溫度、降低氮和氧的濃度以及縮短在回轉(zhuǎn)窯中的停留時間來減少氮氧化物的生成。

2 脫硝原理

廢氣中主要產(chǎn)物NO難溶于水，被氧化后生成的高價態(tài)NO2可溶于水，生成的酸易被堿吸收。根據(jù)此原理從而可達(dá)到脫硝的目的降低氮氧化物的排放量?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

2NO+O2=2NO2

2NO2+H2O=HNO3+HNO2

HNO2不穩(wěn)定，會分解為HNO3、NO和H2O：

3HNO2=HNO3+2NO+H2O

HNO3+NH3=NH4NO3

3 氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

2013年5月24日，山東省環(huán)境保護(hù)廳聯(lián)合山東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了《山東省建材工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 2373-2013），要求新建企業(yè)自2013年9月1日起執(zhí)行氮氧化物排放濃度限值為300 mg/m3，現(xiàn)有企業(yè)自2015年1月1日起執(zhí)行氮氧化物排放濃度限值為400 mg/m3。就濟(jì)寧市水泥廠而言，據(jù)實施脫硝工程前的在線數(shù)據(jù)顯示，氮氧化物的排放濃度為600～1000 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到該排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此，水泥行業(yè)的脫硝是必然趨勢。

4 水泥廠脫硝技術(shù)

水泥廠的氮氧化物控制技術(shù)主要有三種：低氮燃燒技術(shù)（LNB）、選擇性催化還原技術(shù)（SCR）以及選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）。

4.1 低氮燃燒技術(shù)（LNB）

用改變?nèi)紵龡l件的方法來降低NOX的排放，統(tǒng)稱為低氮燃燒技術(shù)，類型包括空氣分級燃燒技術(shù)、燃料分級燃燒技術(shù)和低氮燃燒器技術(shù)。在各種降低NOX排放的技術(shù)中，低氮燃燒技術(shù)的特點就是裝置簡單、投資較少、運行費用低，但是其效果受窯爐工況等影響較大，使得設(shè)備運行穩(wěn)定性較差，脫硝效率僅為5%～10%，只能使氮氧化物排放濃度降低至500～900 mg/m3，仍無法滿足環(huán)保部門要求的排放限值。

4.2 選擇性催化還原技術(shù)（SCR）

SCR技術(shù)原理就是利用還原劑（如：液氨、氨水、尿素等）在金屬催化劑（如：V2O5）[2]的作用下，選擇性地與氮氧化物反應(yīng)生成N2和H2O。該方法的特點就是脫硝效率很高，能達(dá)到85%左右，氮氧化物的排放濃度能降至200 mg/m3以下。但是SCR技術(shù)需要使用價格昂貴的金屬催化劑，在窯爐出口處粉塵濃度和堿金屬含量較高，催化劑易被堵塞和中毒[3]，另外運行費用較高，因此，直接影響該方法在水泥行業(yè)脫硝工程中的推廣和應(yīng)用。

4.3 選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）

SNCR技術(shù)中不使用催化劑，在850 ℃～1100 ℃的高溫下，將還原劑（如：液氨、氨水、尿素等）噴入爐內(nèi)，將煙氣中的氮氧化物還原為N2和H2O，化學(xué)反應(yīng)式如下： 4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

SNCR技術(shù)的脫硝效率能到達(dá)50%～60%，雖然效率低于SCR技術(shù)，但完全能夠?qū)⒌趸锱欧艥舛冉档椭僚欧畔拗狄蠓秶鷥?nèi)。與SCR技術(shù)相比，SNCR技術(shù)的投資費用和運行費用遠(yuǎn)低于SCR技術(shù)，因此，該技術(shù)在水泥行業(yè)脫硝工程中運用最廣。

5 結(jié)語

截至目前，全國的水泥廠已經(jīng)大范圍的新上了脫硝設(shè)施。濟(jì)寧市7條水泥生產(chǎn)線全部使用SNCR技術(shù)，以20%氨水為還原劑去除氮氧化物。據(jù)在線數(shù)據(jù)分析，實施脫硝技術(shù)后，濟(jì)寧市水泥行業(yè)氮氧化物排放濃度約為300 mg/m3左右，氮氧化物減排效果顯著。下一步的工作重點就是要確保脫硝設(shè)施的穩(wěn)定正常運行，鞏固減排成果。

參考文獻(xiàn)

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