水泥企业氮氧化物减排的两种技术措施及实践

尹国明

水泥企业氮氧化物减排的两种技术措施及实践

尹国明

本文主要介绍了水泥企业两种氮氧化物减排技术（SNCR技术与燃料分级燃烧技术）的技术原理和具体实践。在不同的条件下，两种脱硝技术都取得了很好的效果，不但使水泥企业的废气排放达到《水泥工业大气污染物排放标准》规定的大气污染物特别排放限值要求，而且通过合理的技术组合和优化降低了企业的环保运行成本，为水泥企业氮氧化物减排提供了更多的技术选择与参考。另外，燃料分级燃烧技术还具有脱硫效应，合理利用燃料分级燃烧的脱硫效应可降低水泥窑的硫氧化物的排放，也为需要控硫的水泥企业提供了新的思路。

水泥企业氮氧化物减排；SNCR；分级燃烧技术

1　引言

2011年我国水泥行业氮氧化物排放总量约220万吨，约占我国工业氮氧化物排放总量的10%，仅次于火力发电和机动车尾气排放，位居第三。氮氧化物的排放问题已经成为制约我国水泥工业可持续发展的因素之一。在“十二五”规划中，2015年氮氧化物排放总量的控制目标比2010年下降10%。现行的《水泥工业大气污染物排放标准》规定，一般地区NOX的排放指标浓度控制在400mg/m3以下，重点区域控制在320mg/m3以下。因此，水泥行业开展氮氧化物减排工作已成为必然。

水泥行业可行的NOX控制措施可分为一次措施和二次措施。一次措施指通过生产工艺或原（燃）料的改变，如低NOx燃烧器、分解炉分级燃烧、工艺优化控制、添加矿化剂、燃料替代等，减少NOX的产生。采取这些综合措施后，大约可降低20%～30%的NOX排放量，相应NOX排放浓度可降至600～700mg/m3。二次措施是指末端治理措施，包括选择性非催化还原（SNCR）技术、选择性催化还原（SCR）技术、SNCR-SCR联合脱硝技术等烟气脱硝措施，其中SNCR是目前比较成熟可行的技术，脱硝效率一般为40%～60%。

2　SNCR降低NOX原理及实践

2.1SNCR的原理

选择性非催化还原（简称SNCR）是指无催化剂的作用下，在适合脱硝反应的“温度窗口”内喷入还原剂将烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水。因其投资成本低、运行可靠，在水泥行业被广泛运用。该技术在水泥窑实施过程中，一般以氨水或尿素溶液作为还原剂，在分解炉的合适位置喷入，喷入的还原剂在烟气自身的热力运动和喷枪合理的雾化分散作用下，与氮氧化物充分混合，在适合的温度和气氛下，反应生成氮气和水。发生的反应如下：

如温度进一步提高，则可能发生以下反应：

当温度＜800℃时，NH3与NO的反应速度很慢，但当温度＞1 050℃时，反应式（4）会逐渐起主导作用。

2.2具体实践

陕西某水泥企业2012年建设投运了SNCR脱硝系统，该系统主要包括氨水储存罐2个，氨水调配、输送系统1套，雾化喷枪1套，雾化控制系统1套，电气控制系统及接入DCS系统设备1套。

在该系统后期运行中，氮氧化物平均排放浓度从820mg/m3、10%O2降低到330mg/m3、10%O2，脱硝效率约为60%，还原剂氨水消耗量为0.5～0.8m3/h（20%Wt），运行成本压力较大。

2016年初针对以前存在的设计缺陷进行了技术改造，取得了良好的效果。

改造内容包括：

（1）更改喷枪类型，减小了氨水雾化粒径，缩短了氨水雾化时间。

（2）更改喷枪数量，由原来的4支增加到12支，提高氨水与烟气混合均匀度。

（3）喷枪插入位置优化，选择分解炉燃烧完成区域并远离C4下料影响。通过以上改造，该脱硝系统运行效果有了明显的改善，氮氧化物平均排放浓度降低到289mg/m3、10%O2，平均脱硝效率为65%，同时还原剂的消耗量降低到0.2～0.3m3/h（20%Wt），运行成本减少约60%。

3　分级燃烧技术的原理与实践

3.1分级燃烧技术的原理

分级燃烧技术主要分为空气分级燃烧和燃料分级燃烧。空气分级燃烧是目前使用较多的低氮氧化物燃烧技术之一，本文主要介绍燃料分级燃烧。燃料分级燃烧，也称“再燃烧”，是把燃料分成两股或多股燃料流，这些燃料流经过三个燃烧区发生燃烧反应。第一燃烧区为富氧燃烧区，第二燃烧区通常称为再燃烧区，空气过剩系数（用β表示）＜1，为缺氧燃烧区。在此燃烧区，第一燃烧区产生的NOX被还原，同时其还原效果将受过剩空气系数、还原区温度及粉料滞留时间的影响。第三燃烧区为燃尽区，其空气过剩系数＞1。燃料分级燃烧技术是将分解炉分为主燃区、再燃区和燃尽区。主燃区供入全部熟料的70%～90%，采用常规的低过剩空气系数（β＜1.2）燃烧生成NOX；与主燃区相邻的再燃区，只供给10%～30%的燃料，不供入空气，形成很强的还原性气氛（β=0.8～0.9），将主燃区形成的NOX还原成N2分子；燃尽区只供入燃尽风，在正常的过剩空气（β=1.1左右）条件下，使未燃烧的CO和飞灰中的碳燃烧完全。水泥窑燃料分级燃烧技术在窑尾和分解炉之间建立还原燃烧区，将原分解炉用燃料的一部分均布到该区域内，将燃煤中的挥发组分在缺氧燃烧的状态下迅速燃烧，并产生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等还原剂组分。这些还原组分会与窑尾烟气中的NOX发生反应，将NOX还原成N2等无污染的惰性气体。主要还原剂的反应如下：

此项技术促使NOX在还原气氛下被分解还原，利用工艺调整降低了NOX的产生量，脱硝效率一般为10%～30%。为达标排放，该技术一般与SNCR技术联合使用，在与SNCR技术的联合使用中，减少了SNCR过程中的氨水的使用量，降低了整体脱硝运行成本。

同时，此项技术对抑制SOx的发生也有一定的作用。通过对烧成工艺的局部调整和优化，分级燃烧可将烧成系统调整到稳定的可控状态下，不仅可以提高燃烧效率，而且与三次风配合使用，还可使预热器充分发挥脱硫塔的效果，降低窑内高温区产生的SOX的浓度。其具体原理如下：

在水泥窑中，该反应的正向反应速度在1 100℃时迅速加快，使得粉料中的硫酸盐分解为SO2（SOX）而进入废气中。当温度下降且方程式右边的分解生成物足够多时，正反应的速度下降，而逆反应的速度加快。此时，在窑内高温区分解出来的SO2（SOX）更易被CaO吸收，并反应生成硫酸盐。所以，只要将窑尾和预热器内的条件控制得当，促使上述反应逆向进行，在窑内高温区所产生的SO2（SOX）就可以被窑尾和预热器系统内的CaO吸收，降低SO2（SOX）排放浓度。但新型干法水泥生产线硫排放超标通常主要是由原料中含硫化物或有机硫等非硫酸盐的硫造成的，原料进入旋风筒的C2～C1风管后发生氧化反应产生SO2，这种情况下要想降低废气中硫的排放，必须对预热器C2旋风筒或以后的废气进行处置，引入CaO或Ca（OH）2等碱性物质进行化学反应，才能有效解决硫排放的问题。

3.2具体实践

通过分级燃烧和工艺调整控制NOX和SOX的排放浓度是21世纪初在日本和世界多地被采用的技术，下面是某国水泥公司使用此项技术抑制NOX和SOX排放的案例。

3.2.1降低NOX发生浓度的案例

某水泥企业位于北京外围地区，北京地区为加强环保，将NOX的排放标准设定为≤260mg/m3（标）。为了达到排放标准，该公司的SNCR脱硝系统氨水消耗量达到1.6～2.0m3/h（20%Wt），氨水的大量使用给企业的运行成本带来了沉重的负担。为了在达到环保要求下降低成本，该公司于2015年底在其5 000t/d熟料生产线上采用了上述窑尾燃料分级燃烧系统。

该分级燃烧系统的工艺简单，主要是将窑尾分解炉的两个燃烧器更换成推荐使用的低NOX燃烧器，在窑尾增加一个低NOX燃烧器，这样从分解炉分取一部分燃料到窑尾进行燃烧，借此来抑制NOX的发生量。

改造施工简单、时间短、费用低。分级燃烧运行以来，氨水的使用量由原来的1.6～2.0m3/h（20%Wt）降至0.6～1.0m3/h（20%Wt），大大降低了企业的生产成本。

3.2.2降低SOX发生浓度的案例

位于日本太平洋沿岸的某水泥企业，原料中的SO3含量偏高（～0.85%），但初步判断这些硫基本为硫酸盐的硫，由于窑尾系统存在严重的还原气氛，给废气硫排放带来更大压力。通过采用与上述类似的烧成工艺的调整和优化措施，窑尾及预热器内的气氛尤其是氧气浓度达到适合于式（7）反应的逆反应方向的条件，促使适量浓度的氧气和SO2及足够多的CaO发生逆向反应，使得窑内高温下挥发出来的大部分SOx被反应吸收而生成硫酸盐（CaSO4），这些生成的硫酸盐被带入熟料而排出烧成系统之外（熟料中的SO3含量高时＞1.5%）。通过采取这些技术措施，因还原气氛造成的硫排放有所降低，达到低于日本环保标准值的水平。

4　结语

SNCR系统是水泥生产线降低NOX发生的有效措施，合理的工艺设计和设备选型不但能使排放浓度达标，而且可以减少企业的环保负担。

水泥窑的燃料分级燃烧技术是抑制NOX发生的有效措施，这在理论和实践中都得到了证明。当其配合SNCR系统使用时，能够减少SNCR系统氨水使用量，降低运行成本。

燃料分级燃烧技术能够改善烧成状态，提高挥发分可控程度，使预热器充分发挥出脱硫效果，是水泥生产线控制SOX排放浓度的较为经济和有效的做法。

Two Techniques and their Application to Reduce the Cement Enterprises'Nitrogen Oxides Emissionss

TQ172.622.29

A

1001-6171（2016）04-0076-03

通讯地址：中材水泥有限责任公司，北京100044；2016-06-12；编辑：赵莲

［1］常捷，蔡顺华，等.水泥窑烟气脱硝技术［M］.北京：化学工业出版社，2012.11.