淺談水泥窯煙氣脫硝

摘要：本文首先對當前水泥行業的排放現狀進行了簡要介紹，進而對水泥行業的脫硝技術進行了論述。

關鍵詞：水泥窯 中國氣脫硝

1 碳氧化物減排的社會效益

隨著我國工業的持續發展，由氮氧化物等污染物引起的臭氧和細粒子污染問題日益突出，嚴重威脅著人民群眾的身體健康，成為當前迫切需要解決的環境問題。我國在“十二五”規劃中新增了氨氮（NH3）和氮氧化物（NOX）排放的兩項大氣污染物的約束性指標，要求“十二五”期間工業氮氧化物排放減少10%，氮氧化物減排已經成為我國下一階段污染治理和減排的重點。2007年全國氮氧化物的排放總量約為1800萬噸~2000萬噸。全國氮氧化物的排放量年增長率為5%~8%。如果不采取進一步的氮氧化物減排措施，到2030年我國氮氧化物排放量將達到3540萬噸。

2 水泥行業排放現狀

在我國，水泥行業氮氧化物的排放量已是居火力發電、汽車尾氣排放之后的第三排放大戶。2010年，全國累計水泥產量已達18.7億噸（熟料產量約為13.5億噸），排放氮氧化物175萬噸，水泥企業近5000家。據發改委數據顯示，截至2010年底，國內新型干法水泥生產線已到達1300多條，其中60%左右為日產4000噸、5000噸水泥生產線。水泥行業氮氧化物排放占全國氮氧化物排放量的百分率高達12%~15%。

3 水泥行業排放標準

隨著國家將氮氧化物的削減正式提上日程，相關部門相繼出臺了一系列與水泥生產NOx排放控制的政策與污染物排放標準：GB4915-2004水泥工業大氣污染物排放標準，水泥窯NOx排放量應小于800mg/Nm3(標況氣體，折算為NO2，以10%氧含量為基準，下同) ；GB50259-2008 水泥廠設計規范規定，水泥廠焚燒廢棄物NOx排放量應小于500mg/Nm3。氮氧化物排放量已被國家列入“十二五”規劃的控制性目標，要求2015年氮氧化物排放總量比2010年下降10％；工業和信息化部發布的《水泥行業準入條件》（工原[2010]第127號文件）“對水泥行業大氣污染物實行總量控制，新建或改擴建水泥（熟料）生產線項目須配置脫除NOx效率不低于60%的煙氣脫氮裝置”。

4 水泥窯氮氧化物的特性

新型干法水泥生產線中，物料燒成的關鍵技術裝備是回轉窯，這也是水泥行業排放氮氧化物的主要來源。煅燒水泥熟料時生成一氧化氮的途徑主要有熱力氮氧化物（燃料在水泥窯頭1400℃以上燃燒時產生大量NO）、瞬發氮氧化物（有碳氫存在時，于火焰前端瞬發形成的NO，一般比例很小）、燃料氮氧化物（它是由燃料中所含的化學接合氮所產生的）和生料氮氧化物（它是由窯喂料中含氮的化合物分解后而形成的NO）4種。在窯廢氣中NO2一般僅占NO+NO2總量的5%以下，NO則占總量的95%以上。

5 新型干法水泥窯常用氮氧化物控制技術

5.1 低硝燃燒技術：根據氮氧化物的生成機理，主要通過采用空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環和低氮燃燒器等方法降低煤粉燃燒過程中氮氧化物的生成量。此技術的優點是有效地降低了氮氧化物的排放，可達到25%~30%的NOX脫除率；無運行成本，且對水泥正常生產無不利影響，無二次污染，分級燃燒脫氮技術是一項清潔的技術。其缺點是一次投資大，需要適當停窯周期實施改造，同時要有經驗中控操作人員進行調整。

5.2 選擇性非催化劑還原（SNCR）技術：將氨水（或其它氨、胺基物質）在高溫和沒有催化劑的情況下，通過煙道中氣流中產生的氨自由基與NOX反應，把NOX還原成N2和H20，降低系統的NOX排放。SNCR工藝的主要化學反應如下：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

尿素、NH3均可作為還原劑；溫度過高氨會和氧反應生成NOx；溫度過低NOx還原反應的速率過低，造成原煙氣中有過量的氨逃逸或是生料物料上有氨沉積；因此必須尋找合理的氨氣噴入位置，達到適合SNCR反應的溫度區間。該工藝設備簡單使用率高，固定投資少，不用催化劑。缺點是脫硝率低，一般僅為50%~80%，對反應溫度要求高，需準確控制反應區內的溫度，需要比較高的NH3/NOX值（一般大于1），部分NH3被產品吸收。

5.3 選擇性催化還原（SCR）技術：該技術大規模的應用于國內外的電力行業中。SCR是利用NH3與NO反應的選擇性，選擇合適的催化劑，在350~400℃，在催化劑表面將富氧煙氣中的NO還原成N2和H2O。

該技術的優點是脫氮效率高，可達80%~90%，適用溫度范圍300~450℃，最低可達250℃；其缺點是需用催化劑，占用空間大，運行成本高，投資大而且催化劑易受多種影響而失效。

各種脫硝技術在水泥行業應用的脫氮效率見下表：

目前水泥行業的脫硝技術中，SNCR技術在國內外得到了廣泛的應用。

例如，在歐洲2006年ERG公司的報告中指出，按照歐盟IPPC指令，SNCR工藝是目前可用于水泥工業回轉窯上的脫硝技術。2009年，在歐洲有283條水泥生產線，西歐大部分水泥廠都配備SNCR脫硝系統，東歐也有50家配備了SNCR脫硝系統。在這些工程中還原劑多為濃度為25％的氨水，NH3/NOx比值為0.5～0.9，脫硝效率為10～50％。瑞典的兩座干法回轉水泥窯在安裝SNCR裝置之后，在NH3/NOx比值為1.0～1.2的條件下，脫硝效率達到80～85％，究其原因是采用了多點噴射技術（12個點），使反應有足夠的時間發生。在北美地區，在2006年之前，至少有9家水泥窯采用了SNCR技術。

國內的日產5000噸熟料新型干法水泥生產線中，中材湘潭水泥有限責任公司進行SNCR技術改造后，氮氧化物排放最多可降低80%；廣州珠江水泥廠進行SNCR技術改造后，在亞運會期間達到了廣州市氮氧化物排放水平在原有基礎上降低60%的要求。

綜上所述，SNCR技術在水泥窯脫硝的應用得到了比較深入和廣泛的研究，并且有了大量的工程應用示范，是一種成熟的NOx控制處理技術。

6 小結

6.1新型干法窯分解爐的采用，是60%~70%的燃料在900~1100℃溫度范圍內燃燒，從源頭上大幅降低了氮氧化物的產生。

6.2 從世界范圍來看，已實施的水泥廠脫硝工程，幾乎全部采用SNCR脫硝技術。SNCR脫硝是目前水泥行業脫硝的主流技術。

6.3 SNCR法的脫硝的效率為50%～80%，低于選擇性催化還原法(SCR)脫硝的效率(80%～90%)，而SNCR法的費用只有SCR 法的五分之一左右。

6.4 隨著水泥行業的發展和環保標準要求的不斷提高，SNCR和SCR脫硝將會得到廣泛的運用。