水泥行業(yè)煙氣氮氧化物控制技術(shù)及其應(yīng)用

唐小春（廣西魚峰集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545001）

0 前言

氮氧化物（NOx）作為大氣的主要污染物之一，主要來自于工業(yè)生產(chǎn)的高溫燃燒過程，如工業(yè)鍋爐、礦石冶煉、廢棄物焚燒、化工燃燒等。大氣中氮氧化物帶來的環(huán)境問題，包括在大氣環(huán)境中形成酸雨和光化學(xué)煙霧，給人們的身體健康、植被和農(nóng)作物等帶來很大的危害，早已受到世界各國(guó)的關(guān)注，世界各國(guó)技術(shù)人員對(duì)工業(yè)過程氮氧化物排放控制技術(shù)及措施，也開展了較多的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用研究。

1 水泥工業(yè)煙氣氮氧化物排放控制要求

水泥工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其生產(chǎn)工藝中核心過程之一為水泥熟料的高溫煅燒過程，主要采用煤、石油、天然氣等化石燃料燃燒提供熱量，此高溫煅燒過程不可避免地為氮氧化物的形成創(chuàng)造了條件。水泥工業(yè)煅燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物排放需要進(jìn)行控制，以減少其對(duì)大氣的污染。

近年來，國(guó)家相關(guān)部門相繼出臺(tái)了一系列控制水泥生產(chǎn)NOx排放的政策及排放標(biāo)準(zhǔn)，這一方面是為了應(yīng)對(duì)日益突出的環(huán)境污染問題，同時(shí)也符合國(guó)人對(duì)自身健康、美好生活環(huán)境的要求。最新國(guó)標(biāo)《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4915—2013)中規(guī)定水泥窯煙氣氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)為：一般地區(qū)400 mg/m3,特殊地區(qū)320mg/m3。一些省份及地區(qū)為加強(qiáng)本地水泥工業(yè)環(huán)保排放控制，改善大氣環(huán)境質(zhì)量，也發(fā)布了相關(guān)地方排放標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

近幾年，國(guó)家及地方陸續(xù)頒發(fā)了“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”、大氣污染防治“三年作戰(zhàn)計(jì)劃”等相關(guān)文件，地方陸續(xù)對(duì)水泥窯廢氣中的主要污染物提出了超低排放限值要求，如河北地區(qū)達(dá)到50 mg/m3、河南地區(qū)達(dá)到50～100mg/m3、江蘇地區(qū)達(dá)到100mg/m3，還有四川、廣東、湖北、浙江等省的一些區(qū)域也提出了超低排放指標(biāo)要求。

2 水泥工業(yè)煙氣氮氧化物控制技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 低氮燃燒技術(shù)

低氮氧化物燃燒技術(shù)，包括低氮燃燒器和分解爐分級(jí)燃燒技術(shù)。低氮燃燒器是通過調(diào)整和優(yōu)化燃燒器的燃料與空氣分配及燃燒條件，降低燃料燃燒過程中的氧氣濃度，從而減少燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物。

分級(jí)燃燒脫氮技術(shù)的中心思想是建立燃料的還原燃燒區(qū)，在該還原燃燒區(qū)內(nèi)，燃料在缺氧環(huán)境下燃燒，一方面減少過剩氧條件下產(chǎn)生的氮氧化物，另一方面利用缺氧燃燒過程產(chǎn)生的還原性氣體，對(duì)形成的氮氧化物還原去除，從而降低氮氧化物的排放。

其主要反應(yīng)如下：

對(duì)于水泥生產(chǎn)的燒成系統(tǒng)而言，一般是在窯尾分解爐下部及錐部區(qū)域，通過將煤粉分層送入到燃燒區(qū)域，在兩層煤粉燃燒點(diǎn)之間建立還原燃燒區(qū)，從而利用該區(qū)域的缺氧燃燒產(chǎn)生CO、H2、CH4等還原劑，以實(shí)現(xiàn)與從回轉(zhuǎn)窯而來的煙氣中的NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將NOx還原成N2，同時(shí)，該還原區(qū)域還可減少窯尾燃料自身燃燒產(chǎn)生的氮氧化物。

分級(jí)燃燒脫氮工藝過程主要包括煤粉儲(chǔ)存、計(jì)量及輸送和煤粉均布噴射燃燒系統(tǒng)，該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①對(duì)NOx排放控制效果較好，NOx脫除率可達(dá)到30%～40%；②僅對(duì)原有煤粉噴射系統(tǒng)進(jìn)行少量改造，建設(shè)及安裝周期短，投資成本低，無額外運(yùn)行成本低；③操作簡(jiǎn)易，不影響水泥正常生產(chǎn)；④由于采用水泥煅燒所用燃料，未引入其它脫氮還原劑，不用考慮二次污染問題。

表1 國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中水泥窯廢氣氮氧化物排放限值 mg/m3

目前，低氮燃燒器在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多，能實(shí)現(xiàn)一定程度的氮氧化物控制效果，若再結(jié)合分級(jí)燃燒技術(shù)，可在較低的投資和運(yùn)行成本情況下，實(shí)現(xiàn)較好的氮氧化物控制效果。

2.2 選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）

選擇性非催化還原法（SNCR）是將氨或尿素等還原劑噴入爐內(nèi)之高溫區(qū)，將氮氧化物分解成N2與O2的方法。以氨水作為還原劑為例，SNCR技術(shù)的原理為：利用氨水中的NH3作為還原劑，與NOx（包括NO、NO2）發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將氮氧化物還原為N2。相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)過程如下：

水泥窯SNCR工藝過程為：將質(zhì)量濃度為20%～25%的氨水通過泵送、霧化噴槍噴入到窯尾分解爐內(nèi)，在高溫下與NOx進(jìn)行選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOx還原成無污染的N2。氨水還原劑噴入的溫度區(qū)間對(duì)脫氮效果至關(guān)重要，反應(yīng)溫度過高或過低，均會(huì)影響脫硝效率，結(jié)合水泥燒成系統(tǒng)的溫度分布特點(diǎn)，在窯尾分解爐的氨水噴入?yún)^(qū)域的合適溫度區(qū)間為900～980℃。

水泥窯SNCR系統(tǒng)組成主要有噴霧系統(tǒng)卸氨泵調(diào)節(jié)閥組單元、氨水儲(chǔ)存單元、氨水計(jì)量輸送單元、稀釋水輸送計(jì)量單元、混合單元、稀氨水分配單元、霧化空氣單元、控制單元和噴槍單元等組成。氨水SNCR系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

圖1 氨水SNCR系統(tǒng)工藝流程圖

由于化學(xué)反應(yīng)的限度限制，氨水SNCR脫硝系統(tǒng)使用的氨水形成的NH3若不能完全被氮氧化物消耗，將隨窯尾廢氣排出到大氣中，從而造成二次污染，因此需要關(guān)注SNCR氨水脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過程中窯尾廢氣中NH3的逃逸情況，并合理調(diào)整工藝參數(shù)。

2.3 選擇性催化還原法（SCR）

選擇性催化還原法（SCR）是在有催化劑存在的條件下，在較低溫度下利用還原劑將煙氣中氮氧化物還原為N2的過程。SCR技術(shù)在冶金、電力行業(yè)應(yīng)用較多，也較為成熟。而SCR技術(shù)在水泥行業(yè)應(yīng)用則較少，究其原因，一方面是目前所用控制技術(shù)尚能滿足水泥行業(yè)氮氧化物排放要求，另一方面是水泥窯煙氣的物化條件與冶金、電力行業(yè)相差較大。

將SCR技術(shù)應(yīng)用到水泥工業(yè)中，需要根據(jù)水泥工藝及其煙氣的特性，選擇合適的廢氣接入位置，可考慮兩種選擇：一是將SCR設(shè)備安裝在除塵器之前，這時(shí)煙氣溫度較高，可滿足催化還原反應(yīng)要求，但由于粉塵濃度過高，會(huì)造成催化劑磨損和堵塞。另一種選擇是將SCR設(shè)備安裝在除塵器之后，這時(shí)粉塵濃度非常低，沒有了催化劑堵塞問題，但由于溫度下降較多，催化還原反應(yīng)溫度不夠。因此，選擇合適的催化劑是SCR技術(shù)能否成功應(yīng)用到水泥工業(yè)的主要控制因素。

2.3 水泥工業(yè)煙氣氮氧化物控制技術(shù)比較及選擇

在以上幾種氮氧化物控制技術(shù)中，低氮燃燒器現(xiàn)已在水泥工業(yè)中廣泛應(yīng)用，但其脫氮效果有限，不能滿足水泥窯氮氧化物排放要求。

SCR在冶金、電力行業(yè)應(yīng)用較多，脫氮效率也很高，可以達(dá)到較低的排放濃度，但是其在水泥工業(yè)應(yīng)用尚較少，主要原因是尚沒有合適的低廉催化劑以適應(yīng)水泥窯工藝及煙氣特點(diǎn)，雖然今年有寥寥幾家水泥廠首次使用了SCR脫氮技術(shù)，但是其投資成本、運(yùn)行成本均較高，尚未被大多數(shù)水泥企業(yè)接受。

分級(jí)燃燒法和SNCR脫氮技術(shù)在目前水泥生產(chǎn)使用較廣泛，因其具有一次性投資少、占地小、布置簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，且既可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合使用，在聯(lián)合使用時(shí)可達(dá)到較好的脫氮效果。

水泥窯分級(jí)燃燒脫氮和SNCR脫氮技術(shù)的性能參數(shù)比較見表2。

表2 NOx控制技術(shù)的對(duì)比

結(jié)合現(xiàn)有水泥生產(chǎn)氮氧化物控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐情況，大多數(shù)水泥窯在使用低氮燃燒器及SNCR雙重措施情況下，并配合生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作，可以將氮氧化物排放控制在400mg/m3以下，再結(jié)合分級(jí)燃燒技術(shù)，可進(jìn)一步將氮氧化物排放控制在320mg/m3以下，這也是國(guó)標(biāo)GB 4915—2013中規(guī)定的特殊地區(qū)水泥窯氮氧化物排放限值。

因此，對(duì)于一般情況，現(xiàn)有常規(guī)脫氮技術(shù)及其組合，是可以滿足國(guó)標(biāo)要求的，而對(duì)于特殊地區(qū)的一些超低排放要求，則需要進(jìn)一步增選效率更高的脫氮技術(shù)，如近年開始實(shí)施應(yīng)用的高效SNCR脫氮技術(shù)，以及適合水泥窯使用的SCR脫氮技術(shù)。

3 水泥窯氮氧化物控制實(shí)踐

本公司位于廣西地區(qū)的一條新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為2500t/d熟料，實(shí)際產(chǎn)能為2800 t/d，窯尾采用單系列5級(jí)預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)，采用煙煤作為燃料，配備了氨水SNCR脫氮系統(tǒng)，還原劑為20%～24%濃度氨水，經(jīng)泵送計(jì)量系統(tǒng)，通過6只霧化噴槍將氨水噴入到分解爐出口煙道中，氨水平均用量為0.5m3/h，單位熟料平均用量為3.25kg/t，可將窯尾煙囪氮氧化物排放濃度控制在320mg/m3（10%氧含量）以下，可滿足現(xiàn)行氮氧化物排放限值要求。通過本項(xiàng)目的實(shí)踐表明，在氮氧化物排放限值采用國(guó)標(biāo)GB 4915—2013中的特殊地區(qū)排放限值要求時(shí)，采用常規(guī)的SNCR脫氮系統(tǒng)，是可以滿足環(huán)保排放控制要求的。若排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步加嚴(yán)，將需考慮增加其它脫氮技術(shù)。

4 結(jié)語

氮氧化物（NOx）作為水泥行業(yè)大氣的主要污染物之一，對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生較大危害。近年來，國(guó)家及地區(qū)相關(guān)部門不斷提升大氣氮氧化物排放控制要求，要求水泥企業(yè)提升氮氧化物排放控制水平。

國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)及環(huán)保控制技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和積累，已經(jīng)出現(xiàn)了一些成熟的氮氧化物控制技術(shù)及相關(guān)裝備，并在不同行業(yè)中得到實(shí)踐應(yīng)用。如低氮燃燒器、分級(jí)燃燒脫氮技術(shù)、SNCR脫氮技術(shù)等已在水泥行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，這些技術(shù)的最佳配合，并借助水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及優(yōu)化操作，完全可以滿足國(guó)標(biāo)中的排放限值要求。但是，近年國(guó)內(nèi)一些省份、地區(qū)相繼出臺(tái)了水泥行業(yè)超低排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)氮氧化物的排放要求超過了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要求，這對(duì)氮氧化物排放控制提出了新的要求，除了進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有水泥窯脫氮技術(shù)外，還需將其它行業(yè)應(yīng)用成熟的脫氮技術(shù)嫁接到水泥工業(yè)中，但這不是簡(jiǎn)單的移植，而是要結(jié)合水泥生產(chǎn)系統(tǒng)及水泥窯煙氣特點(diǎn)，進(jìn)行創(chuàng)新、集成，使水泥窯煙氣氮氧化物排放滿足國(guó)家、地方的相關(guān)排放要求，使整個(gè)水泥工業(yè)向著健康、環(huán)保、高效的方向發(fā)展。