水泥行業(yè)脫銷技術(shù)分析

梁永在

（河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院）

水泥行業(yè)脫銷技術(shù)分析

梁永在

（河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院）

進(jìn)入“十二五”后，環(huán)保形勢(shì)的變化對(duì)水泥工業(yè)的大氣污染防治、特別是NOx總量減排提出了更高要求。本文對(duì)現(xiàn)階段水泥行業(yè)可采取的脫硝技術(shù)及效率影響因素進(jìn)行了分析、歸納，建議水泥企業(yè)的NOx 減排工作首先選用SNCR和分級(jí)燃燒相結(jié)合的脫氮技術(shù)。在水泥行業(yè)NOx減排方面，提出了相關(guān)建議。

NOx 低氮燃燒器 分級(jí)燃燒 SNCR SCR

前言

近年來，我國(guó)各地日漸嚴(yán)峻的霧霾天氣已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，大氣環(huán)境問題已經(jīng)與普通民眾的日常生活息息相關(guān)。根據(jù)資料顯示，在2012年，全國(guó)水泥行業(yè)年排放NOx約200萬噸，占全國(guó)工業(yè)排放總量的10%左右，是繼火力發(fā)電、汽車尾氣之后的第三大氮氧化物排放大戶。進(jìn)入“十二五”后，環(huán)保形勢(shì)的變化對(duì)水泥工業(yè)的大氣污染防治、特別是NOx總量減排提出了更高要求?！秶?guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》（國(guó)發(fā)〔2011〕42號(hào)）、《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》（國(guó)發(fā)〔2012〕40號(hào)）等文件明確規(guī)定2015年水泥行業(yè)NOx排放量控制在150萬噸，對(duì)新型干法窯降氮脫硝，新、改、擴(kuò)建水泥生產(chǎn)線綜合脫硝效率不低于60%，在大氣污染防治重點(diǎn)地區(qū)，對(duì)水泥行業(yè)實(shí)施更加嚴(yán)格的特別排放限值。為達(dá)到規(guī)劃排放目標(biāo)，國(guó)家環(huán)境保護(hù)部在2013年底，發(fā)布了修訂的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2013），將NOx排放限值由現(xiàn)行的800 mg/m3降低到400 mg/m3（重點(diǎn)地區(qū)為320 mg/m3），現(xiàn)有企業(yè)也給出了明確的排放達(dá)標(biāo)日期。對(duì)此，本文對(duì)現(xiàn)階段水泥行業(yè)可采取的脫硝技術(shù)及效率影響因素進(jìn)行了分析、歸納。

一、NOx的生成原理

水泥熟料生產(chǎn)中排放的NOx，主要是煤粉燃燒過程中產(chǎn)生的NO、NO2和、N2O，其中NO比例在95%以上，NO2和N2O的比例小于5%，因此研究NO的生成是控制NOx的主要方面。從NO的生成機(jī)理來看，NOx產(chǎn)生分為燃料型、熱力型、瞬態(tài)型三種，其中燃料型和熱力型是水泥窯廢氣中NOx的主要來源，瞬態(tài)型NOx的生成量較小，可以忽略。

燃料型NOx是燃煤中含有的氮化物在燃燒中氧化而成。其生成量與氮在煤熱分解后揮發(fā)份、焦炭中的比例及反應(yīng)條件如燃燒溫度、氧濃度、反應(yīng)時(shí)間等有關(guān)，燃料中氮的化學(xué)結(jié)合能力較低，在600～800℃溫度區(qū)域即可形成NO，氧氣量越大，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，生成的NO就越多。燃料型NOx在水泥窯氮氧化物排放中含量最高，在75%左右。

熱力型NOx是燃燒空氣中的N2在高溫氧化產(chǎn)生，當(dāng)溫度在1500℃以上時(shí)，才會(huì)明顯反應(yīng)生成NO，據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此時(shí)溫度每升高100℃，反應(yīng)速度就增大6～7倍，因此溫度對(duì)熱力型NOx的生成有決定性的影響。

不同的水泥窯型，燃料燃燒狀況不同，NOx的排放量也有所區(qū)別。新型干法水泥采用窯外分解技術(shù)，把50～60%的燃料從窯內(nèi)高溫帶轉(zhuǎn)移到溫度較低的分解爐內(nèi)燃燒，爐內(nèi)溫度一般在800～1000℃范圍內(nèi)，是燃料型NOx的主要生成位置。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熟料煅燒溫度在1400℃以上，火焰溫度在1800～2200℃之間，是熱力型NOx的主要生成位置。

二、NOx控制技術(shù)及應(yīng)用分析

對(duì)水泥窯NOx的治理方法，可根據(jù)其產(chǎn)生途徑和生成的煙氣特點(diǎn)來制定，目前可采用的技術(shù)主要有窯頭低氮燃燒器、分級(jí)燃燒技術(shù)、選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)和選擇性催化還原(SCR)技術(shù)。

1、窯頭低氮燃燒器

回轉(zhuǎn)窯中的熱力型NOx主要是由窯頭燃燒器產(chǎn)生，窯頭采用低NOx燃燒器，通過提高一次風(fēng)噴出速度，提高一次風(fēng)噴出動(dòng)量，降低一次風(fēng)用量，提高卷吸高溫二次風(fēng)的能力，從而降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使煤粉在低氧條件下燃燒，達(dá)到降低熱力型NOx的生成量的目的。低氮燃燒器端面結(jié)構(gòu)見圖1，其脫硝效率在5～15%，NOx的排放可控制在700 mg/m3左右。

圖1

2、分級(jí)燃燒技術(shù)

分級(jí)燃燒技術(shù)是將燃煤的燃燒過程分成兩個(gè)階段進(jìn)行，在第一階段減少煤粉燃燒區(qū)域的空氣量，使煤粉在缺氧條件下燃燒（過剩空氣系數(shù)在0.8左右）形成富燃區(qū)，燃燒生成的CO、氮化合物中間產(chǎn)物（如CN、HCN等）和NO進(jìn)行還原反應(yīng)，抑制燃料型NOx的生成量，同時(shí)也中和了部分回轉(zhuǎn)窯生成的熱力型NOx。第二階段煤粉在富氧條件下燃燒，此時(shí)燃燒溫度相對(duì)已降低，雖然有部分氮化合物會(huì)被氧化成NO，但總的NOx的生產(chǎn)量是減少的。分級(jí)燃燒技術(shù)的脫硝效率在20～30%，NOx的排放可控制在600 mg/ m3左右。

分級(jí)燃燒技術(shù)可分為空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒兩種形式?？諝夥旨?jí)燃燒是將三次風(fēng)分兩級(jí)送入分解爐，從三次風(fēng)管分出一根管道進(jìn)入分解爐主體上部，使分解爐下部實(shí)現(xiàn)還原氣氛，其流程示意見圖2；燃料分級(jí)燃燒是將分解爐用煤粉分兩級(jí)送入分解爐，在窯尾煙室和分解爐之間形成還原氣氛，其流程示意見圖3；兩者僅是產(chǎn)生還原氣氛的方式不同，脫銷效果區(qū)別不大，但燃料分級(jí)燃燒的投資較空氣分級(jí)燃燒要小。

圖2

3、選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)

選擇性非催化還原(Selective Non-Catalytic Reduction，以下簡(jiǎn)寫為SNCR)技術(shù)是燃燒后的末端治理的一種方式，將尿素或氨水等氨基物質(zhì)噴入分解爐，在一定的條件下與煙氣混合，在不使用催化劑的情況下將NOx還原成為無毒的氮?dú)夂退?/p>

以尿素為還原劑的SNCR主要化學(xué)反應(yīng)：

以氨水為還原劑的SNCR主要化學(xué)反應(yīng)：

4 NH3+ 4 NO+ O2→ 4 N2+ 6 H2O

當(dāng)向燃燒煙氣中噴氨而不采用催化劑的條件下，對(duì)于噴入點(diǎn)的煙氣溫度非常敏感，反應(yīng)只能在850-1100 ℃進(jìn)行，也就是“溫度窗口”。SNCR反應(yīng)的關(guān)鍵因素有：反應(yīng)溫度、氨氮(NH3/NO)摩爾比、NOx初始濃度、煙氣中O2濃度、停留時(shí)間等因素。SNCR的脫硝效率在40～70%，NOx的排放可控制在300 mg/ m3以內(nèi)。

在脫硝還原劑的選擇上，氨水屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，受到相關(guān)部門的監(jiān)管，從運(yùn)輸、儲(chǔ)存到使用有較多嚴(yán)格的限制，使用中需采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施。尿素與氨水相比，占用場(chǎng)地大，投資較高，工藝流程較復(fù)雜，反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生N2O，其溫室效應(yīng)是CO2的250 倍。因此，目前普遍選用氨水作為SNCR還原劑，其流程示意見圖4。

圖3

圖4

4、選擇性催化還原(SCR)技術(shù)選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，以下簡(jiǎn)寫為SCR）是在催化劑（主要成分為TiO2、V2O5）的作用下，利用還原劑（尿素或氨水）來“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無毒無污染的N2和H2O。此反應(yīng)的“溫度窗口”在300～400℃，可在預(yù)熱器出口的廢氣管道上安裝SCR反應(yīng)器，在反應(yīng)器前加入還原劑進(jìn)行脫氮。據(jù)國(guó)外應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，SCR的脫硝效率高達(dá)80～90%，NOx的排放可控制在200 mg/ m3以內(nèi)。

5、以上四種NOx控制技術(shù)應(yīng)用比較，詳見表1

四種NOx控制技術(shù)應(yīng)用比較 表1

用實(shí)例。

從表1各技術(shù)比較中可以看出，單一的采用SNCR或SCR技術(shù)就能達(dá)到國(guó)家最新的環(huán)保排放要求。但NOx 減排工作對(duì)于水泥企業(yè)而言只有投入沒有產(chǎn)出，只有結(jié)合每種控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，加以綜合利用，才是對(duì)水泥企業(yè)有利的選擇。

綜合以上分析，建議水泥企業(yè)的NOx 減排工作首先選用SNCR和分級(jí)燃燒相結(jié)合的脫氮技術(shù)。在煅燒工況穩(wěn)定的情況下，充分發(fā)揮級(jí)燃燒脫氮效率，降低生產(chǎn)成本；在工況異常時(shí)，提高SNCR脫銷效率，保證NOx排放達(dá)標(biāo)。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)水泥龍頭企業(yè)冀東水泥對(duì)旗下50多條水泥窯的NOx 減排治理中已普遍實(shí)施了SNCR和分級(jí)燃燒相結(jié)合的脫氮技術(shù)，各水泥窯的綜合脫硝率均達(dá)到60%以上，每年可減少氮氧化物排放3萬多噸，并且NOx排放量大大低于《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB4915-2013)的限值要求。

結(jié)束語

大氣污染的治理是一項(xiàng)長(zhǎng)期性的工作，在減少企業(yè)對(duì)環(huán)境影響的同時(shí)，又能降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，才會(huì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和企業(yè)發(fā)展的雙贏。因此，在水泥行業(yè)NOx減排方面，有以下幾點(diǎn)建議：

1、源頭控制：在生產(chǎn)運(yùn)行中，優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熱工制度，在保證熟料質(zhì)量的前提下，降低NOx形成條件，比如減少系統(tǒng)通風(fēng)量，降低空氣過剩系數(shù)；優(yōu)化配料方案，降低煤耗等。

2、積極開發(fā)、推廣對(duì)燃料適應(yīng)性更強(qiáng)的低氮燃燒器，在使用傳統(tǒng)煤粉的同時(shí)，使替代燃料（如廢輪胎、秸稈、城市垃圾等）更大比例的應(yīng)用到水泥生產(chǎn)中來。

3、激勵(lì)企業(yè)積極進(jìn)行減排技術(shù)創(chuàng)新和改造，提升行業(yè)的技術(shù)實(shí)力。

[1]顧軍 何光明. 歐洲水泥窯NO_X減排考察報(bào)告 [J].中國(guó)水泥,2012年02期。

[2]水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB4915-2013) 。

TQ172

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1007-6344（2015）04-0001-02