我國水泥廠脫硝技術現(xiàn)狀及展望

高密軍，羅　振

我國水泥廠脫硝技術現(xiàn)狀及展望

高密軍，羅振

“十二五”期間，國家將氮氧化物（NOX）列為全國大氣污染物排放總量控制指標，水泥行業(yè)積極響應國家政策，全力推進水泥生產(chǎn)線脫硝工程，截至2016年，全國約有99%的水泥生產(chǎn)線完成脫硝工程。但在水泥廠的實際應用中存在NOX難以實現(xiàn)超低排放、氨水耗量大、運行成本高、氨逃逸高、監(jiān)測滯后時間長、系統(tǒng)調(diào)整不及時等問題。隨著環(huán)保形勢越來越嚴峻，水泥廠超低排放勢在必行。鑒于此，提出SNCR系統(tǒng)優(yōu)化和SNCR+SCR組合工藝來克服單純SNCR系統(tǒng)的缺點，真正實現(xiàn)超低排放。

SNCR；SCR；NOX；氨逃逸

“十二五”期間，國家大氣污染物排放總量控制指標中首次加入氮氧化物（NOX），并且明確要求比2010年下降10%。作為氮氧化物排放量最大行業(yè)之一的水泥行業(yè)積極響應國家政策，全力推進水泥生產(chǎn)線脫硝工程。2011年，全國首個水泥生產(chǎn)線脫硝工程——中材湘潭水泥生產(chǎn)線脫硝工程投運并通過環(huán)保驗收[1]，從此全面拉開了水泥生產(chǎn)線脫硝工程。截至2016年，全國約有99%的水泥生產(chǎn)線完成了脫硝工程。

我國水泥生產(chǎn)線現(xiàn)有脫硝技術主要有以下幾種[2]：（1）低氮燃燒技術；（2）分級燃燒技術；（3）選擇性非催化還原技術（SNCR）等。實際應用時多為（1）+（3）、（2）+（3）或（1）+（2）+（3）的組合工藝。低氮燃燒和分級燃燒的效率只有10%～20%左右，起主要脫硝作用的是SNCR系統(tǒng)，且該系統(tǒng)在我國水泥廠脫硝工程中約占98%的比例。

1　SNCR技術存在的問題

SNCR（Selective Non—Catalytic Reduction）是在沒有催化劑作用下，向850～l 100℃高溫區(qū)域中噴入還原劑，還原劑迅速蒸發(fā)或熱解成NH3，與煙氣中NO反應生成N2和H2O。SNCR系統(tǒng)所用還原劑主要為氨水（質(zhì)量濃度20%），NOx脫除率一般在50%～70%左右，具有系統(tǒng)簡單、初期建設投資少、操作方便等優(yōu)點。但該系統(tǒng)在水泥廠的實際應用中逐漸顯現(xiàn)出以下問題。

1.1NOX難以實現(xiàn)超低排放

我國現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線NOX本底值一般在800mg/m3（標）左右。SNCR系統(tǒng)雖然具有較高的脫硝效率（50%～70%），但仍有約30%的無效率區(qū)，NOX最終排放值仍然在200mg/m3（標）以上。隨著環(huán)保要求的不斷提高，NOX排放標準必然更加嚴格。例如，電力行業(yè)部分地方標準已將NOX排放值調(diào)整為50mg/m3（標），而水泥廠現(xiàn)有的SNCR系統(tǒng)幾乎不可能適應更嚴的環(huán)保要求。

1.2氨水消耗量大，運行成本高

SNCR系統(tǒng)是將氨水噴射至預分解爐內(nèi)。由于煙氣中存在大量的粉塵和反應的非催化性，還原劑（氨水）存在高溫活性粉塵吸附和非有效接觸NOX的問題，導致SNCR系統(tǒng)的氨水用量為理論計算值的1.5～2倍，大量的氨水未被有效利用。氨水消耗費用是SNCR系統(tǒng)的主要運行費用。以2 500t/d熟料生產(chǎn)線為例，理論計算氨水消耗量約200kg/h，而實際用量為400kg/h，則每年浪費的氨水為115萬元（以800元/t氨水、生產(chǎn)線年運行300d計算）。

1.3氨逃逸高

SNCR系統(tǒng)不需要催化劑，是利用高溫來推動NOX與氨水的氧化還原反應，而且該反應的發(fā)生區(qū)域為高粉塵的惡劣區(qū)域，霧化噴槍噴入的氨水并不能被完全充分地運用，有一部分會逸出反應區(qū)，最終在窯尾煙囪逃逸。在實際應用中，一些企業(yè)為了提高脫硝效率一味地增加氨水噴射量，更加增大了氨逃逸量。周榮等在浙江省內(nèi)水泥廠實際測量時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嚴重的氨逃逸情況[3]，個別廠排放達到36mg/m3。

氨屬于惡臭氣體，空氣中的氨達到一定濃度會引起人的主觀感覺不適。同時氨是大氣中唯一的堿性氣體，可溶于水，與酸性物質(zhì)發(fā)生化學反應，這樣的化學性質(zhì)能夠與大氣中的二氧化硫、氮氧化物（NOX）反應生成硝酸銨、硫酸銨等二次顆粒物。二次顆粒物是PM2.5的重要來源，影響空氣質(zhì)量，使環(huán)境惡化，因此，需要關注高的氨逃逸引起的環(huán)境問題。

1.4監(jiān)測滯后時間長，系統(tǒng)調(diào)整不及時

SNCR系統(tǒng)的反應區(qū)位于預分解爐處，而與其配套的CEMS系統(tǒng)在窯尾煙囪處，二者之間大約存在5min的滯后現(xiàn)象，即反應區(qū)調(diào)整氨水噴射量后5min才能在CEMS上顯示出效果。因此窯系統(tǒng)生產(chǎn)工況發(fā)生變化時，該系統(tǒng)不能及時應對調(diào)整，存在嚴重滯后現(xiàn)象。在實際應用中，一些企業(yè)為防止工況變化造成NOX排放超標，一般將NOX值控制在比標準值低50mg/m3（標），這樣無形中也增加了運行成本。

2　水泥廠脫硝技術展望

圖1　SCR工藝流程圖

表12　500t/d熟料生產(chǎn)線不同脫硝工藝投資成本

水泥廠現(xiàn)有SNCR脫硝技術只能將NOX降低到200mg/m3左右。在“十二五”期間，該技術的確很大幅度減少了全國NOX的排放總量，但根據(jù)目前我國現(xiàn)有的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，NOX排放總量急需進一步降低。國內(nèi)的電廠已經(jīng)開始實行超低排放，NOX排放限值要達到50mg/m3（標）以下。不久的將來，水泥廠肯定也要實行超低排放，因此水泥廠脫硝技術亟待開發(fā)和改進。

2.1優(yōu)化現(xiàn)有SNCR工藝

現(xiàn)有SNCR脫硝噴槍幾乎全部集中布置在分解爐的某個固定位置，而分解爐往往很高，且其內(nèi)的燃燒場和溫度場是隨燃燒工況變化的，導致NOX的產(chǎn)生也是變化的。不同位置產(chǎn)生的NOX需及時噴入還原劑進行反應。因此應該通過對燃燒場和溫度場的模擬來確定其不同位置處NOX的產(chǎn)生量和分布規(guī)律，從而優(yōu)化分解爐上不同位置處的噴槍數(shù)量和流量，及時高效地去除NOX。

2.2SNCR+SCR工藝

SCR（Selective Catalytic Reduc?tion）工藝是選擇性催化還原法，其原理是：在溫度為320～420℃的煙氣中均勻地投入還原劑（氨氣），在催化劑（稀土類催化劑或釩鈦類催化劑）的作用下，煙氣中的NOX與氨氣有選擇性地發(fā)生氧化還原反應，最終生成N2和H2O，從而去除NOX。其典型工藝流程如圖1所示。

SCR工藝具有以下優(yōu)點：布置在預熱器尾部煙道（廢氣總管處），對燒成系統(tǒng)沒有影響；脫硝效率高達95%以上；可以有效利用生產(chǎn)原料或輔助燃料中的氨作為還原劑，氨逃逸率低（＜3p/m）；氨耗量低，氨氮比低，一般＜1。

SNCR+SCR工藝是前置SNCR系統(tǒng)，然后在預熱器尾部煙道處增加SCR反應器。該組合工藝一方面可以大大降低初期投資成本（有效利用SNCR來降低SCR反應器入口的NOX濃度，可大大減少催化劑的用量，降低初期投資成本），表1是以2 500t/d熟料生產(chǎn)線為例的不同脫硝工藝的投資成本。另一方面可以降低還原劑運行成本（該工藝只利用SNCR系統(tǒng)中還原劑的高效段，控制有效利用率在0.9以上。剩余的NOX通過后置的SCR反應器去除，以保證組合工藝的還原劑利用率＞0.9，從而大大降低還原劑運行成本）。SCR工藝已經(jīng)在美國某水泥廠成功應用[4]，在NSR（氨氮摩爾比）較低的情況下，可以高效去除NOX，而且氨逃逸質(zhì)量濃度＜1mg/m3。

3　結(jié)語

“十二五”期間，水泥行業(yè)積極響應國家政策，全力推進水泥生產(chǎn)線脫硝工程，主要采用SNCR工藝。該工藝脫硝效率一般在50%～70%左右，具有系統(tǒng)簡單、初期建設投資少、操作方便等優(yōu)點。但在水泥廠的實際應用中存在NOX難以實現(xiàn)超低排放、氨水耗量大、運行成本高、氨逃逸高、監(jiān)測滯后時間長、系統(tǒng)調(diào)整不及時等問題。隨著環(huán)保形勢越來越嚴峻，水泥廠超低排放勢在必行。鑒于此，利用優(yōu)化SNCR系統(tǒng)和SNCR+SCR組合工藝來克服單純SNCR系統(tǒng)的缺點，同時發(fā)揮SCR的優(yōu)點來降低企業(yè)投資成本、運行成本，可大幅降低氨逃逸，高效去除NOX，從而真正實現(xiàn)水泥廠的超低排放。

[1]唐新宇.2012水泥工業(yè)節(jié)能減排及清潔生產(chǎn)控制技術高峰論壇暨水泥工業(yè)脫硝、脫硫及除塵專題會[C].2012.

[2]周媛.水泥脫硝技術的環(huán)境影響研究[J].建材發(fā)展導向，2014，（2）.

[3]周榮，褚定杉，丁懷，王付超，許明海，韋彥斐，周敏捷.水泥廠氨排放標準存在的問題及氨排放控制[J].環(huán)境污染與防治，2015，（1）.

[4]USEPA.Alternative control techniques docu?ment update：NOXemissions from new cement?kilns[R].Washington，D.C.：USE-PA.2007．■

Technical Problems and Prospects of Denitrification in China's Cement Plant

TQ172.622.29

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