水泥爐窯SNCR及SCR煙氣脫硝技術(shù)比較分析

張飛虎

(山西亞美建筑工程材料有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

NOx是形成酸雨、城市光化學(xué)煙霧等環(huán)境污染的重要因素。水泥工業(yè)是我國國民經(jīng)濟建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)，也是我國繼火電廠、機動車之后的第三大NOx排放源。隨著《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》(GB4915-2013)的實施，根據(jù)環(huán)境保護工作的要求，我國水泥企業(yè)的NOx排放限值由800 mg/m3降到400 mg/m3，大大提高了NOx的排放控制要求[1]。目前，從水泥熟料生產(chǎn)線常用的脫硝技術(shù)來看，主要有選擇性非催化還原(SNCR)法和選擇性催化還原(SCR)法。此兩種方法最主要的不同點就是是否加入了催化劑[1]。本文就SNCR與SCR脫硝技術(shù)作了簡單比較。

1 水泥工業(yè)NOx生成及主要控制技術(shù)

1.1 水泥工業(yè)NOx生成

NOx是大氣中主要的氣態(tài)污染物之一。NOx主要分為熱力型NOx、燃料型NOx和瞬時型NOx三種類型。在我國，水泥生產(chǎn)工藝大多是采用新型干法回轉(zhuǎn)窯工藝，在水泥窯爐工藝生產(chǎn)時，會產(chǎn)生較多燃料型和少量熱力型NOx?；剞D(zhuǎn)窯和分解爐是水泥生產(chǎn)工藝的兩個主要設(shè)備，也是水泥生產(chǎn)過程中NOx生成的主要區(qū)域。其中，兩種類型NOx體積比例隨著煅燒溫度的變化而變化，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度相對較高，分解爐內(nèi)溫度相對較低，回轉(zhuǎn)窯熱力型NOx含量較分解爐高。

1.2 水泥工業(yè)NOx主要控制技術(shù)

目前，水泥熟料生產(chǎn)線常用的脫硝技術(shù)，對于NOx的控制主要有燃燒前、燃燒中和燃燒后控制三種。其中，前兩種控制相對技術(shù)難度大、成本較高；而燃燒后控制脫硝效率高，設(shè)備投入成本和運營成本低，常作為水泥工業(yè)控制NOx的主要技術(shù)措施。

燃燒后控制即為煙氣脫硝，分為濕法脫硝和干法脫硝兩種?？紤]到運行成本及水泥工業(yè)的整體經(jīng)濟效益，目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是干法脫硝，即SNCR及SCR煙氣脫硝[2]。

2 干法SNCR及SCR煙氣脫硝工藝原理及流程

2.1 SNCR工藝原理及流程

SNCR技術(shù)是選擇性非催化還原法的簡稱，該技術(shù)一般采用爐內(nèi)噴氨、尿素或氫氨酸作為還原劑還原NOx。SNCR技術(shù)由于不用催化劑，而是采用氨水或尿素作為脫硝還原劑代替催化劑，因此必須在高溫下進行，一般溫度為850 ℃～1 100 ℃。SNCR常用于鍋爐爐膛，還原劑只和煙氣中的NOx反應(yīng)，將NOx排放量降至大約200 mg/m3。采用氨作為還原劑的SNCR稱為De NOx法，尿素為還原劑的稱為NOxOUT法。

SNCR脫硝技術(shù)采用氨水或尿素作為脫硝還原劑，通過霧化噴射系統(tǒng)直接噴入分解爐合適溫度區(qū)域(850 ℃～1 050 ℃)，在不加催化劑催化的條件下，其中的氨基成分與煙氣中NOx進行選擇性非催化還原反應(yīng)，從而達到降低NOx排放的目的[3]。SNCR由還原劑供應(yīng)、噴射及控制系統(tǒng)等組成，具體技術(shù)裝置和流程如第67頁圖1所示。

2.2 SCR工藝原理及流程

SCR技術(shù)是選擇性催化還原法的簡稱，其工藝核心是催化反應(yīng)系統(tǒng)。SCR主要通過采用氨(NH3)作為還原劑，并在反應(yīng)器中設(shè)置催化劑，使得加入的NH3能夠在較低的溫度下對NOx進行脫硝反應(yīng)。SCR工藝幾乎不發(fā)生NH3與O2的氧化反應(yīng)，減少了NH3的消耗。

圖1 SNCR技術(shù)裝置和流程示意圖

SCR脫硝技術(shù)在反應(yīng)器中設(shè)置催化劑及還原劑噴射系統(tǒng)(噴槍)，氨在反應(yīng)器中催化劑的作用下，能夠在較低的溫度、有氧氣的條件下選擇性地與煙氣中NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而達到脫硝的目的。SCR由氨供應(yīng)、氨氣/空氣噴射、催化反應(yīng)及控制系統(tǒng)等組成，具體技術(shù)裝置和流程如圖2所示[4]。

圖2 SCR技術(shù)裝置和流程示意圖

3 SNCR及SCR工藝脫硝技術(shù)對比分析

3.1 脫硝效率

SNCR與SCR工藝相比較而言，SNCR脫硝需要滿足反應(yīng)溫度的要求，且對噴氨控制的要求很高，相對脫硝率較低。二者脫硝效率具體如表1所示。

表1 SNCR與SCR工藝脫硝效率比較

3.2 經(jīng)濟費用

SNCR技術(shù)在850 ℃～1 100 ℃高溫下進行反應(yīng)，不需要催化劑，且其利用原有設(shè)備(如分解爐)作為反應(yīng)器，可以節(jié)省較多的催化劑及反應(yīng)器建造成本。總之，SNCR技術(shù)擁有運營成本低和操作簡單等優(yōu)勢。

SCR技術(shù)脫硝效率高，但其需要催化劑的參與，且SCR脫硝技術(shù)需要新建反應(yīng)器，將原煙氣引入反應(yīng)器，同時，新增反應(yīng)器會導(dǎo)致系統(tǒng)壓力損失增大，而為了解決此問題的出現(xiàn)，隨之需要對風(fēng)機系統(tǒng)等進行改造，這就更加增大了SCR技術(shù)的投資成本。此外，據(jù)研究顯示，SCR技術(shù)需要的催化劑價格非常高，其成本幾乎占總成本的40%，且為了保持活性，需要定時更換新催化劑，進而造成投入的成本更大，其經(jīng)濟性能下降。總之，SCR脫硝技術(shù)具有系統(tǒng)較SNCR復(fù)雜，投資及運行成本較高，檢修和維護也較繁瑣等特點。

3.3 對其余污染物的影響

SNCR與SCR工藝可以有效地去除NOx，防止NOx的排放從而造成大氣污染。同時，經(jīng)研究顯示，SNCR與SCR工藝對水泥工藝其他污染物也有一定影響，具體如表2所示。

由表2可知，SNCR與SCR技術(shù)對于二噁英/呋喃類、VOCS等有害氣體也具有很好的去除效果。

3.4 綜合比較

SNCR與SCR兩種脫硝工藝總體綜合指標對比如第68頁表3所示。

表2 SNCR與SCR工藝對其他污染物的影響對比

4 結(jié)論

由以上分析可知，雖然SCR技術(shù)催化效率相對較高，但其具有如下缺陷：1) 需要使用催化劑；2) 會增大系統(tǒng)壓力損失、SO2/SO3氧化及空預(yù)器堵塞或腐蝕；3) 設(shè)備占地面積大，需要預(yù)留空間；4) 檢修、維護麻煩；5) 投資成本相對較高等。最重要的是，SCR技術(shù)溫度窗口在300 ℃～400 ℃，不適用于水泥行業(yè)。

因此，SCR技術(shù)與SNCR技術(shù)相比，不具備優(yōu)勢，一般水泥行業(yè)更多地選擇SNCR工藝。但值得注意的是，采用SNCR工藝需注意對反應(yīng)溫度及噴氨的控制。

表3 SNCR與SCR工藝總體綜合指標對比