水泥廠脫硝技術分析及在濟寧市氮氧化物減排中的應用

閆煒

摘 要：我國“十一五”污染物減排時僅有二氧化硫（SO2）這一項大氣污染物約束性指標，而氮氧化物（NOX）的污染日益嚴重，近年來，全國各地水泥廠已經逐步新上了脫硝設施降低氮氧化物濃度、減少氮氧化物排放量，以應對國家越來越嚴格的排放標準。該文對新型干法水泥回轉窯生產過程中產生氮氧化物的機理及脫硝原理和后期對氮氧化物的三種去除技術分別進行了探討與比較，并在此基礎上，對濟寧市水泥廠氮氧化物的減排做了具體的分析。

關鍵詞：水泥廠 脫硝 氮氧化物 減排

中圖分類號：TQ172.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0175-02

我國氮氧化物的污染日益嚴重，國家“十二五”規劃中明確了氮氧化物這一大氣約束性指標，并提出2015年全國氮氧化物排放量控制在2 046.2萬噸，比2010年下降10%。山東省的2015年氮氧化物排放量要求控制在174萬噸，比2010年下降16.1%，而省政府下達給濟寧市氮氧化物的減排目標是比2010年削減19%，2015年的排放量控制在16萬噸，減排目標遠遠高于國家和山東省的目標。但2011年國家污染物總量減排核查時發現，出現了氮氧化物排放量不降反升的局面，全國各地的氮氧化物減排形勢異常嚴峻。深究原因，主要是由于燃煤電廠和水泥廠等排放氮氧化物大戶尚未大規模開展脫硝工程。據環保部門統計，水泥行業對氮氧化物的排放貢獻僅次于火力發電和機動車尾氣排放，排名第三。

濟寧市擁有新型干法水泥生產線7條，生產規模達到24 700噸熟料/日。為響應國家及水泥行業氮氧化物減排的要求，自2013年起，濟寧市各水泥廠逐步實施脫硝工程，氮氧化物濃度大幅下降，扭轉了氮氧化物排放量不降反升的尷尬局面。截至目前，濟寧市7條水泥生產線已經全部實施了脫硝工程。該文主要就水泥廠產生氮氧化物的機理及后期對氮氧化物的去除技術進行進一步探討。

1 NOX的生成機理

新型干法水泥回轉窯熟料煅燒過程中會產生濃度較高的氮氧化物，也是水泥行業氮氧化物產生的主要環節。水泥窯所產生的廢氣中，NO占比高達90%[1]，NO2占比僅為5%～10%左右。主要產物NO在水泥窯的燃燒過程中，其產生機理主要有兩種：燃料型和熱力型。

1.1 燃料型氮氧化物

燃料煤中氮的含量一般在0.52%～1.41%左右，主要以有機氮的形式存在，經熱裂解產生N、CN、HCN、NHI等中間產物基團，最終經過氧化反應生成NOX。可以通過改變燃燒條件、使用含氮低的燃料以及抑制燃料與空氣的混合等方法來減少氮氧化物的生成。

1.2 熱力型氮氧化物

當回轉窯中燃燒溫度高于1500 ℃時，空氣中的N2和氧氣反應生成氮氧化物。反應公式如下：

N2+O2=2NO

2NO+O2=2NO2

根據公式可知，可通過降低燃燒溫度、降低氮和氧的濃度以及縮短在回轉窯中的停留時間來減少氮氧化物的生成。

2 脫硝原理

廢氣中主要產物NO難溶于水，被氧化后生成的高價態NO2可溶于水，生成的酸易被堿吸收。根據此原理從而可達到脫硝的目的降低氮氧化物的排放量。化學反應式如下：

2NO+O2=2NO2

2NO2+H2O=HNO3+HNO2

HNO2不穩定，會分解為HNO3、NO和H2O：

3HNO2=HNO3+2NO+H2O

HNO3+NH3=NH4NO3

3 氮氧化物排放標準

2013年5月24日，山東省環境保護廳聯合山東省質量技術監督局發布了《山東省建材工業大氣污染物排放標準》（DB 2373-2013），要求新建企業自2013年9月1日起執行氮氧化物排放濃度限值為300 mg/m3，現有企業自2015年1月1日起執行氮氧化物排放濃度限值為400 mg/m3。就濟寧市水泥廠而言，據實施脫硝工程前的在線數據顯示，氮氧化物的排放濃度為600～1000 mg/m3，遠遠達不到該排放標準的要求，因此，水泥行業的脫硝是必然趨勢。

4 水泥廠脫硝技術

水泥廠的氮氧化物控制技術主要有三種：低氮燃燒技術（LNB）、選擇性催化還原技術（SCR）以及選擇性非催化還原技術（SNCR）。

4.1 低氮燃燒技術（LNB）

用改變燃燒條件的方法來降低NOX的排放，統稱為低氮燃燒技術，類型包括空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術和低氮燃燒器技術。在各種降低NOX排放的技術中，低氮燃燒技術的特點就是裝置簡單、投資較少、運行費用低，但是其效果受窯爐工況等影響較大，使得設備運行穩定性較差，脫硝效率僅為5%～10%，只能使氮氧化物排放濃度降低至500～900 mg/m3，仍無法滿足環保部門要求的排放限值。

4.2 選擇性催化還原技術（SCR）

SCR技術原理就是利用還原劑（如：液氨、氨水、尿素等）在金屬催化劑（如：V2O5）[2]的作用下，選擇性地與氮氧化物反應生成N2和H2O。該方法的特點就是脫硝效率很高，能達到85%左右，氮氧化物的排放濃度能降至200 mg/m3以下。但是SCR技術需要使用價格昂貴的金屬催化劑，在窯爐出口處粉塵濃度和堿金屬含量較高，催化劑易被堵塞和中毒[3]，另外運行費用較高，因此，直接影響該方法在水泥行業脫硝工程中的推廣和應用。

4.3 選擇性非催化還原技術（SNCR）

SNCR技術中不使用催化劑，在850 ℃～1100 ℃的高溫下，將還原劑（如：液氨、氨水、尿素等）噴入爐內，將煙氣中的氮氧化物還原為N2和H2O，化學反應式如下： 4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

SNCR技術的脫硝效率能到達50%～60%，雖然效率低于SCR技術，但完全能夠將氮氧化物排放濃度降低至排放限值要求范圍內。與SCR技術相比，SNCR技術的投資費用和運行費用遠低于SCR技術，因此，該技術在水泥行業脫硝工程中運用最廣。

5 結語

截至目前，全國的水泥廠已經大范圍的新上了脫硝設施。濟寧市7條水泥生產線全部使用SNCR技術，以20%氨水為還原劑去除氮氧化物。據在線數據分析，實施脫硝技術后，濟寧市水泥行業氮氧化物排放濃度約為300 mg/m3左右，氮氧化物減排效果顯著。下一步的工作重點就是要確保脫硝設施的穩定正常運行，鞏固減排成果。

參考文獻

[1] 徐恒峰，方培根，敖旭平，等.新型干法水泥窯爐脫硝技術應用與探討[J].水泥工程，2013（3）：64-66.

[2] 史旭鴿.探討水泥窯爐煙氣催化還原脫硝技術[J].應用技術與設計，2013（10）：347.

[3] 房晶瑞，馬忠誠，汪瀾.水泥窯爐煙氣催化還原脫硝技術研究進展[J].環境污染與防治，2013，35（2）：85-92.