水泥回转窑窑尾烟气超低排放的技术改造

刘宏超

1 引言

随着国民经济的迅速发展，我国水泥工业进入了繁荣发展时期。水泥行业在为社会创造价值的同时，也是我国能源、资源消耗和污染物排放的主要行业之一。随着我国“绿水青山生态文明”总体规划的实施，对水泥企业粉尘和SO2、NOX、CO2、CO等有害气体的排放提出了更为严格的要求，水泥生产面临着严峻挑战[1]。水泥企业“超低排放”是实现行业高质量发展、调整产业结构、淘汰落后产能的重要举措[2]，得到了国家环保部门和地方政府的高度认可[3]，水泥企业进行“超低排放”技术改造势在必行[4，5]。

为满足排放要求，提升区域行业环境综合治理水平，促进企业高质量发展，我公司按照环保主管部门要求，通过引进先进技术实施了“超低排放”的技术改造，取得了显著成果。

2 总体要求

2.1 技术改造前的排放情况

我公司现有两条4 000t/d 水泥熟料生产线，回转窑规格φ4.8m×72m，自投产以来，生产运行正常，能耗、环保等指标均能达到现行国家标准要求，是所在地区污染物排放重点监控的企业之一。

GB 4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》中规定，重点地区水泥制造过程中，水泥窑及窑尾余热利用系统的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物（以NO2计）排放浓度分别低于20mg/Nm3、100mg/Nm3、320mg/Nm3，某些先行地区污染物超低排放限值见表1[1，5]。项目所在地河北省邢台市要求水泥行业颗粒物、SO2、NOX的超低排放浓度分别低于10mg/Nm3、30mg/Nm3、50mg/Nm3。

表1 某些先行地区污染物超低排放限值，mg/Nm3

目前，我公司NOX排放浓度控制在≤100mg/Nm3，氨水用量为1.5m3/h。若将NOX排放浓度控制在≤50mg/Nm3，则氨水用量会更大，同时会出现NOX排放数据波动大、氨逃逸偏高的问题。在京津冀地区严峻的环保形势下，一旦出现重污染天气，企业必将面临停窑风险。

2.2 改造原则及目标

本次改造的原则是，在经济、合理的前提下，充分利用现有设备，并在关键部位采用先进可靠的新技术，实现绿色环保、生产稳定、节能降耗和超低排放的目的。

公司现有环保排放指标虽能达到国家标准要求，但与河北省邢台地区的排放要求还有一段距离，为了进一步降低污染物排放值，实现超低排放，公司确定了如下“超低排放”改造目标：

（1）颗粒物：≤10mg/Nm3

（2）SO2：≤30mg/Nm3

（3）NOX：≤50mg/Nm3

（4）污染物日排放总量：≤612kg/d

（5）污染物月排放总量：≤13 464kg/月

3 技改实施

3.1 保证窑系统稳定运行

窑系统稳定运行，是实现水泥窑烟气超低排放的基础和关键，我公司主要从稳定控制原燃材料质量、升级并加强维护设备、优化中控室操作、增设日常检测设备四方面入手，保证窑系统的稳定运行。

3.1.1 稳定控制原燃材料质量

（1）公司进厂原燃材料全部为外购，质量不稳定，采取加大堆场储量，堆集大堆料，增加检验频率和合理搭配使用等措施，减小生料质量波动幅度。

（2）采用DF-5701 元素在线分析仪，实现在线连续稳定配料，保证出磨生料的质量稳定，为窑系统稳定煅烧提供基础保障。

（3）采购高热值煤作为燃料，提高入窑煤粉的细度和水分，保证煤粉充分燃烧和氨水充分反应，避免预热器出口产生过量CO。

3.1.2 升级并加强设备维护

（1）公司采用菲斯特喂煤秤，经常出现入秤煤粉量波动大的问题。通过增加缓冲稳流仓，解决了煤粉入秤喂煤量不稳定的问题。

（2）对生料均化库库底均化小仓进行专项治理，更换转子型生料喂料秤，使入窑提升机电流波动从10A 降低到5A 以内，保证了入窑生料量的稳定。

（3）将原有篦冷机改造为IKN 篦冷机。IKN 篦冷机投入使用后，窑系统二次风温和三次风温分别稳定在1 250℃和950℃，熟料标煤耗降低3kg/t.cl，大大提高了熟料煅烧的稳定性，对稳定NOX排放发挥了关键作用。

（4）为降低一次风用量，避免峰值高温，将原有燃烧器更换为新型节能低氮燃烧器，减少了NOX产生量。

3.1.3 优化中控室操作

中控室实施统一的精细化操作，可减少氨水使用量和NOX生成量，是实现“超低排放”的重要措施之一。我公司通过增加中控室窑磨智能专家控制系统，实现了窑、磨各参数的实时自动调整，避免了人工调整存在的滞后性和不必要的波动，窑工况更加稳定。

3.1.4 增设日常检测设备

增设德图-340烟气分析仪、便携式测温仪、崂应烟气流速检测仪、崂应3012H烟气检测仪等日常检测设备，用于检测各级预热器，确保实时检测、分析和诊断系统情况，一旦发现问题，将及时调整、优化生产。

3.2 优化分级燃烧技术

（1）改变分解炉煤粉加入位置，抬高三次风管顶部位置，增大还原区域，减少了NOX的生成量。

（2）将原有燃烧器更换为低氮燃烧器（安装位置如图1 所示），将四级撒料板改变为阶梯广角形式，提高物料撒布效果，改造窑尾烟室缩口。改造后，窑尾烟室缩口直径由2.5m 缩小到2.35m，增大了缩口处风速，改善了料气换热效果，避免了系统塌料，为工艺操作创造了良好条件。

图1 低氮燃烧器安装位置示意图

（3）在中控操作上，减少窑头用煤量，增加三次风量，降低窑内通风量，有效保证了分级燃烧效率的发挥，对稳定燃料燃烧、降低NOX初始排放浓度起到了积极作用。

优化后，NOX排放本底值由原来的2 000mg/Nm3降低到820mg/Nm3左右，达到了比较理想的效果。

3.3 应用高效智能选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术

在优化分级燃烧技术基础上，我公司采用SNCR烟气脱硝装置，安装在线氨气分析仪，引用进口控制阀组和喷枪，使用高效智能脱硝软件控制系统和先进的人工智能优化技术，实现了“用最少量的氨水高效脱硝和减少氨逃逸”的目标。

3.3.1 高效智能脱硝系统和在线氨气监测分析仪的应用

为了确保氨水在NOX含量高的区域充分反应，减少氨逃逸，公司实时采集全部工艺数据，通过高效智能脱硝系统控制软件，分析烧成系统情况，并模拟特定工艺条件对现有SNCR喷枪效率的影响，在预热器中精准布置喷枪并以最佳喷射方式喷射氨水。同时，根据数据分析模型，预测NOX变化趋势，提前调整不同位置喷枪的流量，确保高效脱除NOX。在控制NOX排放的同时，安装在线氨气监测分析仪，监测氨逃逸量，保证脱硝系统脱硝及氨逃逸控制目标的实现。

3.3.2 氨水喷枪的选择和合理布置

3.3.2.1 氨水喷枪的选择

氨水喷枪的选择对于氨水脱硝工艺尤为重要，必须选择能够保证氨水喷出后有良好雾化效果的喷枪，喷枪枪头不能有水滴状氨水喷出。另外，为保证每支喷枪在氨水喷量不同的情况下都能达到最好的雾化效果，我公司对喷枪系统单独设置了空气压缩机，可根据喷氨量智能调节压缩空气的压力，提高了脱硝效率。

3.3.2.2 氨水喷枪的合理布置

为了实现高效脱硝，采用分层布置喷枪的方式[6]，并根据特定工况下每层喷枪的脱硝效率差异，实时调整每组喷枪的氨水流量和压缩空气压力。

（1）在分解炉区域，选择温度场、气流场垂直稳定段布置喷枪。

（2）在五级旋风筒区域，考虑到粉尘浓度低、温度和反应时间适宜等条件，喷枪布置在排气管道位置脱硝更稳定。在烟气流向通道上预开多个喷枪安装孔，调试过程中检测每个孔的相对脱硝效率，选定脱硝效率最高的孔安装喷枪。

各部位喷枪安装位置如图2所示。

图2 各部位喷枪安装位置示意图

3.4 减少系统漏风

回转窑系统漏风不仅会增加熟料烧成电耗和煤耗，对窑系统脱硝效率也有很大的负面影响，因此，加强窑系统的漏风治理一直是公司重点关注的问题之一。

窑尾漏风既影响燃烧器煤粉的燃烧，又会引起系统内氧含量的增加，削弱烟室分级燃烧脱硝效果。公司通过加强管理，治理窑尾漏风，使窑尾烟室实测的氧含量＜3.0%。此外，公司对预热器、余热发电PH 锅炉、增湿塔、生料磨、收尘器等系统以及各处管道软连接、人孔门等部位进行了漏风综合治理，实现了窑尾烟囱氧含量＜5.5%，最优可达5.0%以内。

3.5 选择合适的物料配料

NOX的形成与烧成温度有很强的相关性。研究表明，烧成温度从1 550℃升高到1 900℃时，NOX的生成量急剧上升，特别是在1 750℃后，几乎是直线上升[7]。选取合适的原材料和熟料配料方案或使用矿化剂，在保证熟料质量的前提下，尽可能降低烧成温度，可抑制NOX的生成。基于此，我公司尝试使用铁选矿污泥（替代石灰石）和煤矸石等低价原材料，采用石灰石、砂岩、煤矸石（带热值/无热值）、铁选矿污泥、铜尾矿五组分进行多次配料生产试验，初步摸索了原材料配比对NOX排放的影响。采用铁选矿污泥和煤矸石配料生产产生的污染物排放数据测试结果见表2。

表2 采用铁选矿污泥和煤矸石配料生产产生的污染物排放数据测试结果（平均值）

试验结果显示，添加污泥作原料对污染物的排放基本无影响，采用无热值煤矸石配料能较明显降低NOX排放量。无热值煤矸石中的硫含量偏高，会引起烟气中SO2排放量略有增加，但是使用带热值煤矸石配料，在生料磨停机状态下，SO2排放波动大，控制困难，相对而言，在使用无热值煤矸石配料时SO2控制更稳定。使用无热值煤矸石配料，在生料磨开机情况下，经综合测算发现，当氨水用量降低约0.2t/h 时，污染物排放总量降低约0.4kg/h，对生产有利。

3.6 技改效果

采取一系列超低排放技改措施后，系统于2021年5月开始稳定运行，回转窑窑尾烟气排放超标准完成了环保政策要求的数值，NOX本底排放值可降低至820mg/Nm3，NOX排放值可稳定控制在＜50mg/Nm3，保证了污染物排放总量控制在612kg/d以内。同时，通过增加氨水用量等措施，可使污染物的排放总量≤13 464kg/月。技术改造前后的排放数据对比见表3。目前在严格的区域环保政策要求下，污染物排放数值基本可以满足回转窑全月连续运转不停机，保证了窑系统稳定运行。

表3 技术改造前后的排放数据

4 优化改进建议

（1）跟踪SCR关键技术的突破，降低高投入、高运营成本。

（2）探索替代原燃材料的应用，在保证煅烧、产品质量的前提下，通过使用替代材料以降低污染物的生成，从源头控制污染物的生成。

（3）重点关注氨逃逸量的减少，分级燃烧+SNCR 智能精准脱硝技术的持续优化，氨水喷入量和NOX生成量的降低，实现最佳脱硝效率。

（4）末端治理研究。目前我公司已经开展氧化还原技术在NOX排放末端治理的研究，初步效果明显，但氧化过程是否能将低价氮氧化成高价氮排出，还有待进一步验证。此项技术工艺流程简图如图3所示。

图3 氧化还原技术用于NOX排放末端治理研究技术工艺流程

5 结语

虽然影响NOX“超低排放”的因素很多，但完全可以通过相关技术改造，降低NOX排放量。水泥厂可因地制宜，探索适合于自身的优化方案。我公司从污染物的产生源头开始控制，通过采取各种技改措施，抑制前端污染物的生成，有效提升了过程脱硝效率，为NOX排放末端治理减轻了负担。

本次技改投入小，回报率高，可行性强，随着水泥行业“超低排放”技术的快速发展，水泥窑烟气排放治理一定会取得更大成绩。