水泥爐窯SNCR及SCR煙氣脫硝技術比較分析

張飛虎

(山西亞美建筑工程材料有限責任公司，山西 陽泉 045000)

NOx是形成酸雨、城市光化學煙霧等環境污染的重要因素。水泥工業是我國國民經濟建設的重要基礎材料產業，也是我國繼火電廠、機動車之后的第三大NOx排放源。隨著《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915-2013)的實施，根據環境保護工作的要求，我國水泥企業的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，從水泥熟料生產線常用的脫硝技術來看，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脫硝技術作了簡單比較。

1 水泥工業NOx生成及主要控制技術

1.1 水泥工業NOx生成

NOx是大氣中主要的氣態污染物之一。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，水泥生產工藝大多是采用新型干法回轉窯工藝，在水泥窯爐工藝生產時，會產生較多燃料型和少量熱力型NOx。回轉窯和分解爐是水泥生產工藝的兩個主要設備，也是水泥生產過程中NOx生成的主要區域。其中，兩種類型NOx體積比例隨著煅燒溫度的變化而變化，回轉窯內溫度相對較高，分解爐內溫度相對較低，回轉窯熱力型NOx含量較分解爐高。

1.2 水泥工業NOx主要控制技術

目前，水泥熟料生產線常用的脫硝技術，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難度大、成本較高；而燃燒后控制脫硝效率高，設備投入成本和運營成本低，常作為水泥工業控制NOx的主要技術措施。

燃燒后控制即為煙氣脫硝，分為濕法脫硝和干法脫硝兩種。考慮到運行成本及水泥工業的整體經濟效益，目前工業生產中應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技術是選擇性非催化還原法的簡稱，該技術一般采用爐內噴氨、尿素或氫氨酸作為還原劑還原NOx。SNCR技術由于不用催化劑，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，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脫硝技術采用氨水或尿素作為脫硝還原劑，通過霧化噴射系統直接噴入分解爐合適溫度區域(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，從而達到降低NOx排放的目的[3]。SNCR由還原劑供應、噴射及控制系統等組成，具體技術裝置和流程如第67頁圖1所示。

2.2 SCR工藝原理及流程

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

圖1 SNCR技術裝置和流程示意圖

SCR脫硝技術在反應器中設置催化劑及還原劑噴射系統(噴槍)，氨在反應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發生化學反應，從而達到脫硝的目的。SCR由氨供應、氨氣/空氣噴射、催化反應及控制系統等組成，具體技術裝置和流程如圖2所示[4]。

圖2 SCR技術裝置和流程示意圖

3 SNCR及SCR工藝脫硝技術對比分析

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 經濟費用

SNCR技術在850 ℃～1 100 ℃高溫下進行反應，不需要催化劑，且其利用原有設備(如分解爐)作為反應器，可以節省較多的催化劑及反應器建造成本。總之，SNCR技術擁有運營成本低和操作簡單等優勢。

SCR技術脫硝效率高，但其需要催化劑的參與，且SCR脫硝技術需要新建反應器，將原煙氣引入反應器，同時，新增反應器會導致系統壓力損失增大，而為了解決此問題的出現，隨之需要對風機系統等進行改造，這就更加增大了SCR技術的投資成本。此外，據研究顯示，SCR技術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，其經濟性能下降。總之，SCR脫硝技術具有系統較SNCR復雜，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 結論

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

因此，SCR技術與SNCR技術相比，不具備優勢，一般水泥行業更多地選擇SNCR工藝。但值得注意的是，采用SNCR工藝需注意對反應溫度及噴氨的控制。

表3 SNCR與SCR工藝總體綜合指標對比