對水泥脫硝技術的探討

陳躍勛張訓（廣東省水泥行業協會；廣東廣業檢測有限公司）

對水泥脫硝技術的探討

陳躍勛1張訓2
（1廣東省水泥行業協會；2廣東廣業檢測有限公司）

水泥行業是氮氧化物排放的大戶，本文從氮氧化物的形成、目前脫硝的方法入手，分析探討水泥脫硝技術。

氮氧化物；脫硝；SCR；SNCR

1　前言

氮氧化物（NOx）是主要的大氣污染物之一，是多種氮的氧化物的總稱，其中絕大部分為NO和NO2。NOx的主要危害有：①可刺激肺部，使之難抵抗感冒之類的呼吸系統疾病；②一氧化氮和二氧化氮為主的氮氧化物是形成光化學煙霧和酸雨的重要原因。我國NOx排放的來源主要是化石燃料，尤其是煤的燃燒。目前，我國有3000多家水泥企業，新型干法生產線1800余條，水泥行業氮氧化物的排放占總排放量約10%，是除了電力和機動車外的第三大排放污染源［1］。《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB 4915-2013）［2］中規定：新建企業和現有企業執行窯尾NOx排放濃度不大于400mg/Nm3的規定，重點地區執行NOx排放濃度不大于320mg/Nm3的規定。

2　水泥行業氮氧化物形成的原因

水泥企業生成NOx的途徑主要有四種：①熱力型NOx，燃料在窯頭1400℃以上燃燒時會產生大量NOx；②快速型NOx，它是有碳氫根存在時，于火焰前端快速形成的NOx，一般這種快速NO生成量的比例很小；③燃料型NOx，它是由燃料中所含的化學接合氮所產生的；④生料型NOx，它是由窯喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx。在水泥窯廢氣中，NO2通常只占NO+NO2總量的5%以下，NO則占總量的95%以上。

通過研究和分析氮氧化物形成的原因，才能清楚地認識到，水泥生產過程中的氮氧化物是怎樣產生的。才能從根本上來遏制氮氧化物的形成，或者是通過采用什么有效手段來降低氮氧化物的排放，從而可以有效的研究出水泥脫硝的方法。

3　水泥行業脫硝處理的方法

目前、水泥行業脫硝方法主要分為兩類：一是從煅燒工藝上來進行改進，已達到減少氮氧化物的目的，不用增加太多的設備和裝置；二是增設脫硝設備和裝置來減少氮氧化物，主要包括選擇性非催化還原技術（SNCR）和選擇性催化還原技術（SCR）。

3.1 從煅燒工藝上入手來進行脫硝

3.1.1 改進燃燒器或分解爐

在較低的溫度下或氧氣濃度低的情況下進行燃燒，可以有效的降低氮氧化物的生成。因此，需要研究新型的燃燒器或分解爐，對燃燒器或分解爐進行改進。低氮燃燒器的主要特點是推力大，煤和空氣混合好，燃燒速率快。它與傳統的燃燒器相比，需要的過剩空氣系數小，火焰溫度也較低，因此生成的氮氧化物少［3］。采用低氮分解爐，同樣是為了減少分解爐中氮氧化物的形成，其原理與低氮燃燒器類似。

3.1.2 采用分級燃燒技術

目前，分級燃燒主要分為空氣分級燃燒和煤粉分級燃燒。

空氣分級燃燒技術是國內外采用較多的一種低氮燃燒技術。其原理就是將分解爐燃燒所需的三次空氣量由原來的底部切向導入改成分兩級送入，燃料在缺氧狀態下燃燒，燃燒速度和溫度都在降低，從而減少了熱力型NOx的產生。同時，燃燒產生的CO參與NOx的還原反應。另一部分三次風以二次風的形式進分解爐的二級燃燒區，即燃盡區，此區為富氧燃燒區，此時空氣量增多，會產生新的NOx，但因為溫度相對較低，新生成的NOx的量不高。

2CO+2NO→2CO2+N2

NH+NH→N2+H2

NH+NO→N2+OH

煤粉分級燃燒技術又稱為再燃燒技術，是將分解爐用煤粉分上下兩層喂入，這樣，在分解爐的底部就形成了強還原區，以此消除回轉窯過來的二次風以及爐內本身燃燒形成的NOx，從而起到降氮的作用。

分級燃燒技術主要就是改變了分解爐內內燃燒時的氣氛，讓爐內變成了強還原區，在不影響正常生產的情況下，降低了NOx的產生。這種方式雖然降低NOx的比例不高，大約15%～25%，但基本上不用增加運行成本，可靠性高。

3.1.3 高固氣比懸浮預熱技術

高固氣比懸浮預熱分解系統采用雙系列并聯平行氣流與交叉串行料流方式及外循環分解爐，使得大部分物料在分解爐與預熱器內得以分解，70%以上的燃料均在分解爐燃燒，大大減少了回轉窯的燃料量，使得回轉窯產生的NOx量降低。雖大部分的燃料在分解爐燃燒，但分解爐處的溫度較低，操作條件相對穩定，且低溫分解爐較易形成還原氣氛，這對NOx減排有利。同時，分解爐是外循環系統，燃料與氣體的接觸時間延長，則生成的NOx與爐內的還原氣氛接觸時間延長，這也有利于已生成NOx的還原［4］。

可以看出，高固氣比懸浮預熱技術改變了物料分解方式，讓物料不用在水泥旋轉窯內分解，通過五級八次氣固換熱，提高了系統的熱效率，有效降低了煙氣溫度和煤耗，最終大大的降低了NOx的排放。

3.2 增設脫硝設備入手來進行脫硝

3.2.1 選擇性非催化還原技術SNCR

SNCR技術是一種成熟的NOx控制處理技術。此方法是在分解爐的合適溫度區域加入還原劑氨水或尿素，在有部分氧存在的條件下，氨與NOx發生選擇性非催化還原反應，將NOx轉化成無污染的N2，主要化學反應有：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

3.2.2 選擇性催化還原技術（SCR）

SCR技術大規模的應用于國內外的電力行業中，在水泥行業還未廣泛開展應用。SCR是利用NH3與NO反應的選擇性，選擇合適的催化劑，在350～400℃時，在催化劑表面將富氧煙氣中的NO還原成N2和H2O。SCR化學反應與SNCR是一樣的，只是降低了反應溫度，提高了脫硝效率。

SCR技術又主要分為高溫高塵、低溫低塵脫硝技術。高溫高塵SCR反應器布置在第一級旋風預熱器之后，溫度約為350℃，粉塵濃度80～100g/m3。其技術特點是：該溫度范圍適合大多數催化劑的工作溫度，此處煙氣溫度與常規催化劑活性溫度窗口較為吻合，無需對煙氣進行再加熱。低溫低塵SCR反應器布置在窯尾除塵器后，溫度約為250℃，粉塵濃度50mg/m3。催化劑可在無塵煙氣中工作，可以減少煙塵對催化劑的磨蝕性，但由于煙氣溫度低（＜250℃），難以達到催化劑的工作溫度，需增加加熱裝置，增加能耗和運行費用［5］。

3.2.3 SNCR與SCR兩種脫硝技術的比較

這兩種技術各有優缺點，兩者技術指標對比如表1所示。

表1　SCR和SNCR脫硝技術指標對比［6］

由表1可知，SCR與SNCR相比，脫硝溫度更低，效率更高，但是運行成本更高，且催化劑有可能中毒，活性降低。因此，目前水泥行業基本上都是采用SNCR技術來進行脫硝，脫硝效率較低，在40%～70%之間，能夠達到目前氮氧化物排放的要求。

SCR技術的核心就是催化劑，其壽命決定了水泥脫硝的運行成本，若能夠提高其運行壽命，降低其中毒的幾率，在未來排放要求越來越高的情況下，SCR技術是必定作為水泥企業第一選擇的。

目前，國內大多數水泥生產線NOx排放都高于850mg/Nm3，長期使用SNCR系統，單位熟料氨水的消耗成本如果按4元/t估算，平均產量5500t/d生產線，每天約耗費2.2萬元人民幣，年運轉320天，脫硝成本約為704萬元/年［7］。由此可見，水泥脫硝成本還是很高的，特別是在水泥行業利潤已經十分微薄的大環境下。因此，需要對脫硝技術進行深入研究，不斷降低脫硝成本，這樣才是對于水泥企業及環境都是最佳的選擇。

4　結語

目前，水泥行業脫硝是勢在必行的，但在此過程中也存在不少問題。針對水泥行業脫硝，提出幾條建議：

⑴不斷研究燃燒過程中降低氮氧化物的方法，通過空氣分級和燃料分級，在不增加成本的情況下來降低氮氧化物的形成。

⑵SNCR雖然運行成本相對較低，但是有脫硝效率相對較低的致命缺陷，在未來環保要求更高時，將很難滿足國家排放要求，因此應大力研發SCR技術，開發出溫度更低、使用壽命更長、不容易中毒的催化劑，降低使用成本，提高脫硝效率。

⑶為了提高脫硝效率，可以考慮多種脫硝方式結合的方法。舊的水泥廠可采用空氣分級、燃料分級與SNCR（或SCR）結合的方式來提高脫硝效率，而新建水泥廠則可以考慮采用高固氣比技術與SNCR（或SCR）結合的方式來實現降低氮氧化物排放的目標。

［1］王新頻，趙嬌，喬彬，史偉，王冬.國內外水泥熟料生產線降氮脫硝技術及應用（上）［J］.中國水泥，2016（06）.

［2］GB 4915-2013水泥工業大氣污染物排放標準［S］.

［3］溫平.水泥窯幾種典型脫硝技術的比較［J］.中國水泥，2015 （03）.

［4］王新頻.淺論水泥窯煙氣降氮脫硝技術［J］.新世紀水泥導報，2016（02）.

［5］周榮，韋彥斐，許明海，顧震宇，孫嘉寧，汪昊其，王付超.水泥窯SCR煙氣脫硝技術的可行性分析［J］.水泥，2015（02）.

［6］歐根能，欒景麗，劉維維，陶輝旺.水泥窯SNCR和SCR脫硝技術應用前景分析［J］.云南冶金，2013（10）.

［7］武曉萍，陶從喜，彭學平，朱金波，郭濤，陳昌華，代中元.水泥窯三次風分級燃燒脫硝應用技術［J］.水泥，2016（03）.