水泥行業煙氣氮氧化物控制技術及其應用

唐小春（廣西魚峰集團有限公司，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，主要來自于工業生產的高溫燃燒過程，如工業鍋爐、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境問題，包括在大氣環境中形成酸雨和光化學煙霧，給人們的身體健康、植被和農作物等帶來很大的危害，早已受到世界各國的關注，世界各國技術人員對工業過程氮氧化物排放控制技術及措施，也開展了較多的理論研究和實踐應用研究。

1 水泥工業煙氣氮氧化物排放控制要求

水泥工業作為國民經濟重要的支柱產業之一，其生產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造了條件。水泥工業煅燒過程中產生的氮氧化物排放需要進行控制，以減少其對大氣的污染。

近年來，國家相關部門相繼出臺了一系列控制水泥生產NOx排放的政策及排放標準，這一方面是為了應對日益突出的環境污染問題，同時也符合國人對自身健康、美好生活環境的要求。最新國標《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB 4915—2013)中規定水泥窯煙氣氮氧化物排放標準為：一般地區400 mg/m3,特殊地區320mg/m3。一些省份及地區為加強本地水泥工業環保排放控制，改善大氣環境質量，也發布了相關地方排放標準，見表1。

近幾年，國家及地方陸續頒發了“藍天保衛戰”、大氣污染防治“三年作戰計劃”等相關文件，地方陸續對水泥窯廢氣中的主要污染物提出了超低排放限值要求，如河北地區達到50 mg/m3、河南地區達到50～100mg/m3、江蘇地區達到100mg/m3，還有四川、廣東、湖北、浙江等省的一些區域也提出了超低排放指標要求。

2 水泥工業煙氣氮氧化物控制技術簡介

2.1 低氮燃燒技術

低氮氧化物燃燒技術，包括低氮燃燒器和分解爐分級燃燒技術。低氮燃燒器是通過調整和優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生的氮氧化物。

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

其主要反應如下：

對于水泥生產的燒成系統而言，一般是在窯尾分解爐下部及錐部區域，通過將煤粉分層送入到燃燒區域，在兩層煤粉燃燒點之間建立還原燃燒區，從而利用該區域的缺氧燃燒產生CO、H2、CH4等還原劑，以實現與從回轉窯而來的煙氣中的NOx發生氧化還原反應，將NOx還原成N2，同時，該還原區域還可減少窯尾燃料自身燃燒產生的氮氧化物。

分級燃燒脫氮工藝過程主要包括煤粉儲存、計量及輸送和煤粉均布噴射燃燒系統，該技術具有以下特點：①對NOx排放控制效果較好，NOx脫除率可達到30%～40%；②僅對原有煤粉噴射系統進行少量改造，建設及安裝周期短，投資成本低，無額外運行成本低；③操作簡易，不影響水泥正常生產；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 國內相關標準中水泥窯廢氣氮氧化物排放限值 mg/m3

目前，低氮燃燒器在國內外應用較多，能實現一定程度的氮氧化物控制效果，若再結合分級燃燒技術，可在較低的投資和運行成本情況下，實現較好的氮氧化物控制效果。

2.2 選擇性非催化還原技術（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之高溫區，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技術的原理為：利用氨水中的NH3作為還原劑，與NOx（包括NO、NO2）發生氧化還原反應，將氮氧化物還原為N2。相關的化學反應過程如下：

水泥窯SNCR工藝過程為：將質量濃度為20%～25%的氨水通過泵送、霧化噴槍噴入到窯尾分解爐內，在高溫下與NOx進行選擇性非催化還原反應，將NOx還原成無污染的N2。氨水還原劑噴入的溫度區間對脫氮效果至關重要，反應溫度過高或過低，均會影響脫硝效率，結合水泥燒成系統的溫度分布特點，在窯尾分解爐的氨水噴入區域的合適溫度區間為900～980℃。

水泥窯SNCR系統組成主要有噴霧系統卸氨泵調節閥組單元、氨水儲存單元、氨水計量輸送單元、稀釋水輸送計量單元、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系統工藝流程圖見圖1。

圖1 氨水SNCR系統工藝流程圖

由于化學反應的限度限制，氨水SNCR脫硝系統使用的氨水形成的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，因此需要關注SNCR氨水脫硝系統運行過程中窯尾廢氣中NH3的逃逸情況，并合理調整工藝參數。

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技術在冶金、電力行業應用較多，也較為成熟。而SCR技術在水泥行業應用則較少，究其原因，一方面是目前所用控制技術尚能滿足水泥行業氮氧化物排放要求，另一方面是水泥窯煙氣的物化條件與冶金、電力行業相差較大。

將SCR技術應用到水泥工業中，需要根據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設備安裝在除塵器之前，這時煙氣溫度較高，可滿足催化還原反應要求，但由于粉塵濃度過高，會造成催化劑磨損和堵塞。另一種選擇是將SCR設備安裝在除塵器之后，這時粉塵濃度非常低，沒有了催化劑堵塞問題，但由于溫度下降較多，催化還原反應溫度不夠。因此，選擇合適的催化劑是SCR技術能否成功應用到水泥工業的主要控制因素。

2.3 水泥工業煙氣氮氧化物控制技術比較及選擇

在以上幾種氮氧化物控制技術中，低氮燃燒器現已在水泥工業中廣泛應用，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、電力行業應用較多，脫氮效率也很高，可以達到較低的排放濃度，但是其在水泥工業應用尚較少，主要原因是尚沒有合適的低廉催化劑以適應水泥窯工藝及煙氣特點，雖然今年有寥寥幾家水泥廠首次使用了SCR脫氮技術，但是其投資成本、運行成本均較高，尚未被大多數水泥企業接受。

分級燃燒法和SNCR脫氮技術在目前水泥生產使用較廣泛，因其具有一次性投資少、占地小、布置簡單、運行成本低等優點，且既可以單獨使用，也可以聯合使用，在聯合使用時可達到較好的脫氮效果。

水泥窯分級燃燒脫氮和SNCR脫氮技術的性能參數比較見表2。

表2 NOx控制技術的對比

結合現有水泥生產氮氧化物控制技術應用實踐情況，大多數水泥窯在使用低氮燃燒器及SNCR雙重措施情況下，并配合生產系統的穩定操作，可以將氮氧化物排放控制在400mg/m3以下，再結合分級燃燒技術，可進一步將氮氧化物排放控制在320mg/m3以下，這也是國標GB 4915—2013中規定的特殊地區水泥窯氮氧化物排放限值。

因此，對于一般情況，現有常規脫氮技術及其組合，是可以滿足國標要求的，而對于特殊地區的一些超低排放要求，則需要進一步增選效率更高的脫氮技術，如近年開始實施應用的高效SNCR脫氮技術，以及適合水泥窯使用的SCR脫氮技術。

3 水泥窯氮氧化物控制實踐

本公司位于廣西地區的一條新型干法水泥熟料生產線，設計產能為2500t/d熟料，實際產能為2800 t/d，窯尾采用單系列5級預熱預分解系統，采用煙煤作為燃料，配備了氨水SNCR脫氮系統，還原劑為20%～24%濃度氨水，經泵送計量系統，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，可滿足現行氮氧化物排放限值要求。通過本項目的實踐表明，在氮氧化物排放限值采用國標GB 4915—2013中的特殊地區排放限值要求時，采用常規的SNCR脫氮系統，是可以滿足環保排放控制要求的。若排放標準進一步加嚴，將需考慮增加其它脫氮技術。

4 結語

氮氧化物（NOx）作為水泥行業大氣的主要污染物之一，對環境和人體健康產生較大危害。近年來，國家及地區相關部門不斷提升大氣氮氧化物排放控制要求，要求水泥企業提升氮氧化物排放控制水平。

國內外工業生產技術及環保控制技術經過多年的發展和積累，已經出現了一些成熟的氮氧化物控制技術及相關裝備，并在不同行業中得到實踐應用。如低氮燃燒器、分級燃燒脫氮技術、SNCR脫氮技術等已在水泥行業中得到廣泛應用，這些技術的最佳配合，并借助水泥生產系統的穩定運行及優化操作，完全可以滿足國標中的排放限值要求。但是，近年國內一些省份、地區相繼出臺了水泥行業超低排放標準，對氮氧化物的排放要求超過了歐美發達國家的標準要求，這對氮氧化物排放控制提出了新的要求，除了進一步優化現有水泥窯脫氮技術外，還需將其它行業應用成熟的脫氮技術嫁接到水泥工業中，但這不是簡單的移植，而是要結合水泥生產系統及水泥窯煙氣特點，進行創新、集成，使水泥窯煙氣氮氧化物排放滿足國家、地方的相關排放要求，使整個水泥工業向著健康、環保、高效的方向發展。