水泥熟料生產線聯合脫硝減排技術探討

張雪僑

中材建設有限公司（064000）

0 前言

2018年以來，我國環保和錯峰生產力度的不斷加碼，超低排放概念植入水泥行業。為了配合國家降低水泥行業NOx排放總量的要求，多省市連續出臺水泥工業大氣污染物特別排放值實施計劃,一些地區甚至要求氮氧化物達到50 mg/m3。水泥行業的超低排放是行業面向高質量發展的必然要求，也符合當前生態文明建設發展方向。超低排放是環保要求，大勢所趨。如何實現NOx超低排放目標,已成為目前水泥行業必須亟待解決的課題。

1 水泥爐窯NOx生成機理

在水泥熟料煅燒過程中，NOx的產生主要源于高溫燃料中的氮和原料中的氮化合物。當燃料在窯爐內燃燒時，助燃空氣中的氮氣分子氧化及燃料中氮元素的氧化，都會生成NOx。當窯爐內的火焰溫度超過1 200℃時，燃燒空氣中的氮氣與氧氣會發生氧化生成NOx，這種NOx稱為熱力型NOx。當窯爐溫度低于1 200℃時，燃料中氮元素氧化產生的NOx稱之為燃料型NOx。由于水泥回轉窯燒成帶的火焰溫度一般在1 750℃～2 000℃，固相溫度在400℃～1 475℃，因此大量熱力型NOx在燒成帶生成。在分解爐和窯尾煙室上升管道預熱器區域，燃料燃燒溫度一般低1 200℃，因而在窯尾預分解系統中，主要生成的是燃料型NOx。水泥生產排放廢氣中的NOx氣體含NO和NO2，其中NO占NOx氣體90%。

2 水泥行業主要NOX控制技術

NOx的控制方法從燃料生命周期的3個階段入手，即燃燒前、燃燒中和燃燒后。當前，燃燒前脫氮的研究很少，幾乎所有的研究成果都集中在燃燒中和燃燒后的NOx的控制。燃燒中控制主要是低氮燃燒技術，是根據燃料在燃燒過程中NOx的生成機理，通過改進燃燒技術來降低NOx的生成和排放。NOx的控制技術大致可分為兩類，即低氮燃燒器和分級燃燒技術 (包括空氣分級燃燒技術和燃料分級燃燒技術)。燃燒后控制是對已經生成的NOx采取脫硝措施,主要是煙氣脫氮技術。

2.1 燃燒過程控制技術

低NOx燃燒器、燃料分級燃燒、空氣分級燃燒等手段從控制氧氣供給或降低煙氣溫度等方面著手，降低熱力型NOx的生成。通過對燃燒過程的監控，如回轉窯的過量空氣系數和煙氣溫度，以及煙囪出口處的NOx、CO等污染物濃度，優化燃燒。在滿足熟料煅燒要求的前提下，盡量降低回轉窯的過量空氣系數和煙氣溫度。

但是降低回轉窯內氧氣含量和煙氣溫度，影響水泥熟料煅燒品質。故水泥爐窯采用低NOx燃燒技術來降低氮氧化物的應用空間有限。

2.2 燃燒后煙氣脫氮技術

當前水泥窯煙氣脫氮技術主要有選擇性非催化還原技術（即SNCR技術）和選擇性催化還原技術（即SCR技術）。

2.2.1 SNCR技術

SNCR技術是把分解爐出口的那一部分空間作為反應器，利用分解爐內合適的溫度空間（900℃～1 100℃），將尿素(或其他含有NH3基的還原劑)直接噴入分解爐出口處，在此溫度下，尿素可迅速分解成NH3，NH3與煙道氣流的NOx發生反應，將NOx還原為N2的一種脫硝技術。在SNCR反應中，部分還原劑將與煙氣中的O2發生氧化反應生成CO2和H2O，因此還原劑消耗量較大。SNCR工藝主要反應方程式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO+4NH3+2O2→3N2+6H2O

當溫度過高時，部分氨還原劑就會被氧化而生成NO，發生副反應：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

因為沒有催化劑提高NOx還原反應速率，所以適合SNCR反應進行的溫度也極為苛刻，溫度過高，NH3會與煙氣反應，發生NH3的氧化競爭反應，從而增加NOx排放量。溫度過低，NOx還原反應速度過于緩慢，過多未反應的NH3在原料中積累或逸出，導致凈化效率下降和NH3的逃逸。為滿足標準要求，就需要投入大量的氨水，生產運營成本增加。

SNCR由于其成本相對較低得以在行業中廣泛使用，可其技術的弊端就是通常脫硝率在40%～60%。若要進一步提升效率需要對燒成系統及SNCR脫硝系統進行深度改造 （不是所有水泥廠都具備改造條件），或者直接加噴氨水。如果過量使用氨水就會造成氨逃逸問題與二次污染。

實際應用的主要技術瓶頸為：溫度對SNCR的還原反應的影響較大。爐內的溫度分布受到窯爐的負荷和煤炭品種等多種因素的影響，這就要求SNCR的噴氨位置隨溫度的變化而變化，所以在操作上有一定的難度，使該工藝應用時變得較復雜。

2.2.2 SCR技術

選擇性催化還原法（SCR）是向催化劑上游的煙氣中噴入氨氣或其他合適的還原劑、利用催化劑將煙氣中的NOx轉化為氮氣和水，以達到減排NOx目的脫硝手段。據了解，該技術在火電行業已經得到了廣泛應用，目前國內火電行業90%生產線采用SCR技術進行脫硝，同時該技術在玻璃窯爐等其他窯爐上也成功應用。

事實上，SCR技術是工業上應用最廣的一種脫硝技術，以NOx脫除效率高著稱。理想狀態下，SCR技術可使NOx的脫除率在80%以上，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOx反應，是目前最好的固定源NOx治理技術。在電力行業執行NOx排放值100 mg/Nm3的情況下，仍可以很好地實現排放要求。但截至目前，SCR技術在水泥行業的應用仍然不多。究其原因有以下幾點不利因素：

1）溫度限制：據了解，催化劑當今最普遍應用的是多孔Ti2O5（載體）做成蜂窩狀模塊化，載體表面敷有起催化作用的活性成分V2O5和WO3，反應溫度在280℃～400℃為佳。而在新型干法水泥生產線中，預熱器出口的溫度先進的已降為300℃以下，裝SCR系統的實際脫硝效果受到一定的影響。同時，為貫徹國家節能降耗政策，我國2 500 t/d以上的生產線普遍加裝余熱鍋爐，其排氣溫度在150℃以下，對這樣的煙氣，已不再適合裝設SCR系統。

2）粉塵限制：由于水泥廠的塵含量較高，在除塵器之前的煙氣中，水泥爐窯尾部的粉塵含量高達100 mg/Nm3，易造成催化劑孔隙堵塞，催化劑磨損加劇，致使系統壓降增加，給引風機的正常運行造成嚴重威脅，從而影響水泥爐窯生產線長期穩定運行。

3）堿性環境限制：水泥爐窯煙氣中鈉、鉀等水溶性堿金屬化合物易與催化劑中的V2O5反應從而使催化劑中毒，降低催化劑的活性。另外，煙氣中高濃度CaO，與經催化劑氧化而成的SO3生成CaSO4，覆蓋在催化劑表面，降低其活性。一旦催化劑磨損嚴重，活性下降偏離其設計值，氨逃逸迅速上升，需要停運SCR系統，進行催化劑的更換。在未設反應器旁路時，停運SCR意味著停運整條水泥生產線。

4）排風阻力限制：因裝設SCR，排風阻力將增加500～1 000 pa，受此影響，噸熟料將增加燒成電耗0.75～1.5 kWh/t。

5）成本限制：采用SCR技術脫硝需要要增設裝置，占用空間，投資大，運行費用較高。有資料顯示，5 000 t/d生產線利用SCR減排NOx總投資在4 000萬元左右。

受上述因素影響，在水泥爐窯中推廣SCR脫硝技術仍面臨著較大的技術風險，水泥企業鮮有應用，但是隨著環保標準的不斷嚴格，加上技術的不斷完善，SCR技術已作為一個選擇方向。

3 未來脫硝研究方向

實現水泥行業的50 mg/m3的超低排放，需要成熟的脫氮技術來支撐。單獨使用窯尾分級燃燒脫氮技術，脫氮效率為25%～30%。單獨使用SNCR脫氮技術，可減少氮氧化物排放50%～70%。根據目前大部分水泥企業的窯況，通過全過程低氮燃燒技術——SNCR+分級燃燒+低氮燃燒技術以達到NOx排放低于100 mg/m3，是目前主流改造技術。

目前預分解窯采用SNCR技術，如果不投入新的脫硝系統，要想進一步減少氨水用量，降低運營成本，達到兩位數超低排放限值，是難以實現的，尤其要達到NOx排放量特殊超低值50 mg/m3，水泥行業現有脫硝裝備將無法滿足如此低的排放標準，推動聯合脫硝技術應用將大勢所趨。未來技術方向一般還要加裝煙氣尾部脫硝裝（SCR），組成低氮分級燃燒+SNCR/SCR聯合脫硝工藝。但要走SCR技術脫氮這條路，首先要解決SCR當前遇到的問題，研究低溫催化劑和隔離催化劑技術。

國內已有某環保公司研發出低溫高SNCR+SCR聯合脫硝技術，并成功應用于國內的幾家水泥公司，實現了NOx排放指標<50 mg/Nm3。

4 結論

節能環保、綠色轉型是水泥行業必由之路。從傳統行業變身為節能環保產業，既是順應時代潮流、貫徹節約資源和保護環境基本國策的剛性約束，也是水泥行業遵循國際產業的發展軌跡、圖存求變以求浴火重生的涅槃之舉。水泥窯的尾氣排放對大氣NOx污染的貢獻僅次于電力行業和機動車尾氣排放。要完成“十三五”期間國家的NOx減排指標，需要嚴格控制水泥窯的NOx排放，突破NOx控制的技術難點，研發出高效經濟的脫硝方法。隨著新型干法水泥技術的發展和環保標準的提高，SNCR和SCR聯合脫硝將會成為主流技術。SNCR技術具有投資少、環境效益高的特點，SCR技術具有更高的NOx排放凈化效率，是滿足更嚴格環保標準的唯一的技術選擇。未來，隨著適應性廣、耐硫性強、催化劑制備技術的不斷成熟，以及SCR工藝技術的不斷優化升級，聯合脫硝終將實現NOx超低排放。