水泥窯廢氣脫硝技術選擇

王魯巖+包文忠+劉文山+唐新宇+程兆環

摘 要：目前我國水泥行業正在進行新型干法水泥窯煙氣脫硝技術改造，主要進行選擇性非催化還原技術改造并配合部分分級燃燒技術改造。本文主要介紹國內外水泥窯脫硝的各種脫硝工藝的技術特點和投資運行費用等，以供環保部門和水泥企業參考。

關鍵詞：水泥爐窯；脫硝技術；氮氧化物

改革開放以來，我國水泥年產量由1978年的6524萬噸提高到2012年的221000萬噸，獲得了飛速的發展。但是，水泥工業也是資源型高能耗產業，伴隨著水泥工業的發展，水泥行業氮氧化物的排放量占到全國工業排放總量的8-10%。2013年9月國務院頒發了《大氣污染防治行動計劃》，環保部與相關單位于2013年12月27日聯合發布了新修訂的《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB 4915-2013）。目前水泥廠煙氣氮氧化物限值由800mg/m3下調到400～320mg/m3，我國各省都在大力推進水泥窯爐脫硝技術改造工作。

新型干法水泥窯可以選擇的降低氮氧化物排放的技術主要有：選擇性非催化還原技術、低氮燃燒技術、催化還原技術、協同處置廢棄物降低氮氧化物、工藝調整等。

1 選擇性非催化還原技術

選擇性非催化還原技術是目前我國水泥窯脫硝改造的首選技術。

1.1 原理

選擇性非催化還原（selective non-catalytic reaction，簡稱SNCR）就是利用氨水、尿素等還原劑在不需要催化劑的情況下有選擇性地與煙氣中的氮氧化物（NOx）發生化學反應，生成氮氣和水的方法。所發生的可能化學反應如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

2NH3+3O2→N2+3H2O

4NH3+5O2→4NO+6H2O

不僅包括氨與氮氧化物的反應，也包含氨與氧氣的副反應。因此選擇性非催化還原技術在達到同樣脫硝效率的情況下，氨水的消耗量要高于選擇性催化還原技術。

1.2 使用情況

水泥窯SNCR技術改造后，氮氧化物排放濃度多數都可以在原有基礎上降低60%，減低到GB 4915-2013《水泥工業大氣污染物排放標準》要求的320或400mg/m3的水平。

我國自從2011年首條水泥窯SNCR脫硝技術改造在湖南省中材湘潭水泥有限責任公司投運以來，發展非常迅速。目前湖南、貴州、重慶等省市的水泥窯多數都已經進行了SNCR技術改造，而山東、河南、新疆等省市也都預計在2014年完成水泥窯SNCR改造。

1.3 未來發展趨勢

目前SNCR在水泥窯脫硝在國內外應用都較普遍，筆者考察了國內幾十條水泥窯的SNCR系統，發現SNCR系統在水泥窯主要有兩個問題：第一是成本問題，水泥窯SNCR系統畢竟給每噸水泥熟料增加了2-5元每噸的運行成本；第二是無煙煤SNCR系統的適應性問題，揮發分低于5%的難燃無煙煤水泥窯，SNCR的脫硝效果不好，運行成本也顯著高于煙煤水泥窯；第三是實際運轉率不高，高的使用成本嚴重制約了水泥窯SNCR系統的使用情況。因此，我國水泥窯SNCR未來的發展方向主要就是降低SNCR的使用成本貴，提高脫硝效果，并提高運轉率。

2 選擇性催化還原技術

2.1 原理

選擇性催化還原（selective catalytic reaction，簡稱SCR）同SNCR類似，只是在催化劑存在的條件下，利用氨水、尿素等還原劑有選擇性地與煙氣中的氮氧化物（NOx）發生化學反應，生成氮氣和水的方法。

2.2 使用情況

國內水泥窯應用SCR的報道很少，僅有金隅集團在太行前景用某大學二氧化鈦基金屬氧化物催化劑低溫催化劑。在尾排風機出口取氣，風量1250m3/h，從120℃（電）加熱到170℃，從500mg/m3降低到60mg/m3。在80%以上活性保持了20h。后期使用情況不明。

全球僅有幾個水泥廠正式應用過SCR技術，其中：德國的Solnhofen Zementwerkes的SCR系統從2001年運行至2006年1月。根據相關報道，SCR技術脫硝效率最高可達90%以上，同時可同步除去Hg、VOC、二噁英等污染物。制約SCR技術的主要問題是成本問題，雖然達到同步脫硝效率的氨水消耗量，SCR要低于SNCR，但是SCR要消耗大量的催化劑，因此根據美國環境保護署的報道，SCR的運行成本高于SNCR的運行成本100%-150%。

2.3 未來發展趨勢

雖然SCR的運行成本高于SNCR，但是SNCR不能保證實現80%以上的脫硝效率，因此在未來環保標準可能更加嚴格的情況下，SCR仍然有其存在空間。另外目前的SCR催化劑活性溫度普遍在300℃以上，在水泥窯的布置上只能采用在C1出口后布置的方式，因此粉塵含量極高，對催化劑的壽命不利，如果能研發出低溫（120℃左右，適合布置在收塵器出口）的SCR催化劑，那么將有可能大大提高SCR催化劑壽命，降低運行成本。

3 低氮燃燒技術

3.1 原理

低氮燃燒技術在水泥行業也稱為分級燃燒技術，包含空氣分級燃燒技術和燃料分級燃燒技術。其基本原理相同，都是通過空氣或煤粉的分級送入，使煤粉首先在空氣過剩系數小于1的缺氧條件下燃燒，使得燃燒生成的一氧化碳及燃料氮分解成中間產物（如NH、CN、HCN和NHx等）與氮氧化物進行還原反應，從而抑制氮氧化物的生產。

3.2 使用情況

空氣分級燃燒技術和燃料分級燃燒技術的脫硝效率最高都可以達到30%以上，但是由于操作習慣等多方面原因，實際投運的脫硝效果一般可以穩定在10-15%。目前在天津水泥工業設計研究院有限公司設計的2009年以后的新型干法水泥窯，都已經配置空氣分級燃燒技術設備。中材湘潭的空氣分級燃燒效果比較理想，在本底氮氧化物排放濃度約900mg/m3的情況下，可以通過分級燃燒穩定降低到600-650mg/m3左右。

分級燃燒技術的缺點是脫硝效率難以提高，單獨采用分級燃燒技術無法滿足國家環保部門的要求，必須與其他技術配合使用。

3.3 未來發展趨勢

低氮燃燒技術運行成本較低，雖然脫硝效率不高，但是可以有效的降低選擇性非催化還原技術的運行成本，因此在國內也得到環保部門的大力推動。現在主要問題是分級燃燒技術與現在水泥窯生產操作有一定差異，從了解、接受到逐步使用要一個過程。

4 其他技術

除了以上幾種技術，還有低氮燃燒器、燃燒器加水煤漿、協同處置廢棄物降低氮氧化物排放等技術方案。

低氮燃燒器通過濃淡燃燒、降低火焰最高點溫度等方式，理論上可以降低氮氧化物排放0-5%，但是因低氮燃燒器在使用過程中需要優先保證窯的正常煅燒，通常需要提高火焰溫度，與低氮燃燒器降低氮氧化物排放的要求背道而馳，因此實際上降低氮氧化物排放效果不顯著。

協同處置污泥等廢棄物時，因部分廢棄物中有機質含量較高，在分解爐投入后釋放出含氮的基團，與氮氧化物發生反應，降低了氮氧化物的排放濃度。但是因水泥窯協同處置廢棄物受制于很多因素，從使用上僅適用于部分可以處置合適物質的水泥廠。

燃燒器加水煤漿等技術方案目前還在研究階段，在實驗中也可以得到10-15%的脫硝效率，但是尚未具備推廣條件。

5 總結

本文總結了目前國內外降低水泥窯氮氧化物排放的幾種技術的應用情況并指出未來的反戰趨勢，其中選擇性非催化還原和分級燃燒是現階段的主導脫硝技術。

參考文獻

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基金項目：水泥窯爐NOx高溫低成本還原材料與技術示范應用（2011BAE29B03）資助。

作者簡介：包文忠（1966- ），男，高級工程師，碩士，研究方向：水泥工藝、水泥工業環保。