水泥窯脫硝工藝技術初探

韓屹勍

（河北金隅鼎鑫水泥有限公司，河北 石家莊 050226）

氮氧化物（NOx） 是導致大氣污染的核心污染源的其中一類。根據環保部門相關統計數據顯示，水泥工業的氮氧化物排放量約占全國總量的10%～12%，是繼火電廠、機動車之后的第三大排放源。

1 水泥窯氮氧化物生成途徑

水泥窯產生氮氧化物的途徑大致有三種：一是原燃材料中含有的燃料型氮氧化物；二是高溫煅燒條件下，空氣中的氮氣和氧氣發生化學反應生成的,熱力型氮氧化物；三是在缺氧的條件下反應生成的快速型氮氧化物。

2 脫硝策略

2.1 分級燃燒脫硝技術

現水泥行業普遍使用的新型干法預分解水泥工藝其實質也是一種分級燃燒，充分利用好分解爐自身特性實現脫硝是水泥窯脫硝的獨特優勢。一般的做法是在氧含量低于3%的窯尾煙氣中噴入煤粉，煤粉在分解爐錐部高溫、缺氧的空間內形成20000ppm 的CO，利用CO 的強還原性將NOx 還原成氮氣。此技術對分解爐容的占用較小，簡單易行，投資較小，已在多數水泥窯上成功使用和推廣。但問題是其脫硝效率較低，一般僅做到40-50%，對于許多有超低要求的地區難以達到要求，必須配合SNCR 等其他技術合并使用。

為解決脫硝效率不高的問題，德國洪堡公司專有的PYROCLON?REDOX 技術應運而生。該技術將新建的PYROCLON?REDOX 反應器布置在窯尾煙室和分解爐之間，喂入一定比例的煤粉，煤粉在反應器的低氧含量煙氣中發生高溫分解和氣化反應生成大量CO 和熱炭，熱炭又將來自窯尾廢氣中的CO2還原形成CO，CO 將NOx 還原成N2。此技術相當于分級燃燒的加強版，具有小幅提產作用，投資較高而運行成本低，可適用于生活垃圾等其他替代燃料的使用等特點。另因CO 的爆炸極限范圍是12.5%～74.2%，而煤粉在反應器中產生的CO 濃度最高約為5%，低于CO 的爆炸極限范圍，不會在分解爐內爆炸。

2.2 SNCR 脫硝技術

SNCR 脫硝的特點是選擇氨水作為脫硝還原劑，設施包括氨水儲罐、傳送泵、溶液添加泵、調控閥、流量測試設備、噴嘴、NOx 檢測儀等。

NH3還原NOx 的反應對煙氣溫度極為敏感，反應最佳溫度區間為850～1050℃，因此溫度場的科學選擇尤其關鍵。挑選適當的噴槍位置，通常使用兩類模式：首先，使用氣溫流程虛擬技術，根據爐中溫度分布情況找到最佳噴射點；其次，現場檢測爐窯溫度氣溫，歸納氣溫改變規律，明確噴射位置。

噴槍的選用是SNCR 系統的重要部分。通常使用雙層多點均勻的模式，雙層噴槍使用伸縮類噴槍。當窯爐的煙氣溫度改變時，要有選擇地啟動噴槍并自動調整噴氨量，以提升脫硝效率。

SNCR 脫硝系統是現有水泥窯普遍使用的技術，其優點是投資少，操作簡單，技術成熟，但缺點也很明顯，因使用了工業品氨水，帶來的運行成本提高和環保、安全風險，另因反應效率不高會過量噴氨造成氨逃逸超標，形成二次污染。

3 國內外SCR 脫硝技術

歐美國家水泥窯爐SCR 脫硝的技術由來已久。德國Solnhofer 水泥廠在2001 年建立了全球第一部SCR 脫硝設備并投入生產。此廠SCR 系統設置在預熱設備后，反應煙氣溫度是320～340℃，氨逃逸數據是小于1 mg/Nm3，脫硝效率大于90%。

在我國，水泥行業SCR 反應器的布置有四大模式——高溫高塵布置模式、高溫中塵布置模式、中溫中塵布置模式與低溫低塵布置模式。

高溫高塵布置模式運用范圍最廣，一般把SCR 反應器布置在預熱設備C1 和余熱鍋爐之間，端口煙氣溫度300～350℃，脫硝后煙氣溫度降低5～10℃，由高溫風機引出到SP余熱鍋爐完成熱交換。該溫度區域的催化劑成熟可靠，也避免了高SO3生產線形成NHSO3對催化劑的堵塞,有助于提升反應的效率。但因煙氣中粉塵含量高（100～120g/Nm3），對吹灰系統要求較高，容易對催化劑造成堵塞。

高溫中塵布置模式是在高溫高塵的基礎上，將煙氣通過高溫電收塵器除塵后粉塵含量降到30g/Nm3以下再進入SCR反應器完成脫硝。此模式減少了煙氣中的粉塵對催化劑的污染、磨損或堵塞，但存在占地面積大，系統阻力大，施工難度大，投資成本高，空間受限等問題。

中溫中塵布置模式是將SCR 反應器布置在高溫風機之后，粉塵30～50g/Nm3，溫度在180～220℃。此溫度區間，SO2與煙氣中的NH3反應形成硫酸氫銨，粉塵相結合附著在催化劑表面，造成催化劑微孔堵塞中毒失活。因此SO2濃度需嚴控并需做在線升溫（升溫至350℃） 裝置，定期對反應器內生成的硫酸氫銨進行在線熱解析。此方案投資適中、施工難度小。但對預熱器出口SO2濃度要求較高，脫硫劑用量較大。低溫低塵布置模式因現有催化劑還不能在窯尾袋收塵后100℃的溫度下起活，仍處在研究階段，不具備工業使用的條件。

4 結語

綜上所述，伴隨我國環保超低排放政策逐步推進，脫硝形勢極為嚴峻，針對水泥窯現有條件完成煙氣脫硝改造迫在眉睫。需要將新技術與生產設施現狀有效結合，盡量從降低氮氧化物本底值上下功夫，從來源與流程上控制NOx 濃度，再采取相應的有效措施，方能做到既滿足氮氧化物超低排放標準又保證氨逃逸達標。