我國水泥廠脫硝技術現狀及展望

高密軍，羅　振

我國水泥廠脫硝技術現狀及展望

高密軍，羅振

“十二五”期間，國家將氮氧化物（NOX）列為全國大氣污染物排放總量控制指標，水泥行業積極響應國家政策，全力推進水泥生產線脫硝工程，截至2016年，全國約有99%的水泥生產線完成脫硝工程。但在水泥廠的實際應用中存在NOX難以實現超低排放、氨水耗量大、運行成本高、氨逃逸高、監測滯后時間長、系統調整不及時等問題。隨著環保形勢越來越嚴峻，水泥廠超低排放勢在必行。鑒于此，提出SNCR系統優化和SNCR+SCR組合工藝來克服單純SNCR系統的缺點，真正實現超低排放。

SNCR；SCR；NOX；氨逃逸

“十二五”期間，國家大氣污染物排放總量控制指標中首次加入氮氧化物（NOX），并且明確要求比2010年下降10%。作為氮氧化物排放量最大行業之一的水泥行業積極響應國家政策，全力推進水泥生產線脫硝工程。2011年，全國首個水泥生產線脫硝工程——中材湘潭水泥生產線脫硝工程投運并通過環保驗收[1]，從此全面拉開了水泥生產線脫硝工程。截至2016年，全國約有99%的水泥生產線完成了脫硝工程。

我國水泥生產線現有脫硝技術主要有以下幾種[2]：（1）低氮燃燒技術；（2）分級燃燒技術；（3）選擇性非催化還原技術（SNCR）等。實際應用時多為（1）+（3）、（2）+（3）或（1）+（2）+（3）的組合工藝。低氮燃燒和分級燃燒的效率只有10%～20%左右，起主要脫硝作用的是SNCR系統，且該系統在我國水泥廠脫硝工程中約占98%的比例。

1　SNCR技術存在的問題

SNCR（Selective Non—Catalytic Reduction）是在沒有催化劑作用下，向850～l 100℃高溫區域中噴入還原劑，還原劑迅速蒸發或熱解成NH3，與煙氣中NO反應生成N2和H2O。SNCR系統所用還原劑主要為氨水（質量濃度20%），NOx脫除率一般在50%～70%左右，具有系統簡單、初期建設投資少、操作方便等優點。但該系統在水泥廠的實際應用中逐漸顯現出以下問題。

1.1NOX難以實現超低排放

我國現有水泥生產線NOX本底值一般在800mg/m3（標）左右。SNCR系統雖然具有較高的脫硝效率（50%～70%），但仍有約30%的無效率區，NOX最終排放值仍然在200mg/m3（標）以上。隨著環保要求的不斷提高，NOX排放標準必然更加嚴格。例如，電力行業部分地方標準已將NOX排放值調整為50mg/m3（標），而水泥廠現有的SNCR系統幾乎不可能適應更嚴的環保要求。

1.2氨水消耗量大，運行成本高

SNCR系統是將氨水噴射至預分解爐內。由于煙氣中存在大量的粉塵和反應的非催化性，還原劑（氨水）存在高溫活性粉塵吸附和非有效接觸NOX的問題，導致SNCR系統的氨水用量為理論計算值的1.5～2倍，大量的氨水未被有效利用。氨水消耗費用是SNCR系統的主要運行費用。以2 500t/d熟料生產線為例，理論計算氨水消耗量約200kg/h，而實際用量為400kg/h，則每年浪費的氨水為115萬元（以800元/t氨水、生產線年運行300d計算）。

1.3氨逃逸高

SNCR系統不需要催化劑，是利用高溫來推動NOX與氨水的氧化還原反應，而且該反應的發生區域為高粉塵的惡劣區域，霧化噴槍噴入的氨水并不能被完全充分地運用，有一部分會逸出反應區，最終在窯尾煙囪逃逸。在實際應用中，一些企業為了提高脫硝效率一味地增加氨水噴射量，更加增大了氨逃逸量。周榮等在浙江省內水泥廠實際測量時，已經發現嚴重的氨逃逸情況[3]，個別廠排放達到36mg/m3。

氨屬于惡臭氣體，空氣中的氨達到一定濃度會引起人的主觀感覺不適。同時氨是大氣中唯一的堿性氣體，可溶于水，與酸性物質發生化學反應，這樣的化學性質能夠與大氣中的二氧化硫、氮氧化物（NOX）反應生成硝酸銨、硫酸銨等二次顆粒物。二次顆粒物是PM2.5的重要來源，影響空氣質量，使環境惡化，因此，需要關注高的氨逃逸引起的環境問題。

1.4監測滯后時間長，系統調整不及時

SNCR系統的反應區位于預分解爐處，而與其配套的CEMS系統在窯尾煙囪處，二者之間大約存在5min的滯后現象，即反應區調整氨水噴射量后5min才能在CEMS上顯示出效果。因此窯系統生產工況發生變化時，該系統不能及時應對調整，存在嚴重滯后現象。在實際應用中，一些企業為防止工況變化造成NOX排放超標，一般將NOX值控制在比標準值低50mg/m3（標），這樣無形中也增加了運行成本。

2　水泥廠脫硝技術展望

圖1　SCR工藝流程圖

表12　500t/d熟料生產線不同脫硝工藝投資成本

水泥廠現有SNCR脫硝技術只能將NOX降低到200mg/m3左右。在“十二五”期間，該技術的確很大幅度減少了全國NOX的排放總量，但根據目前我國現有的大氣環境質量狀況，NOX排放總量急需進一步降低。國內的電廠已經開始實行超低排放，NOX排放限值要達到50mg/m3（標）以下。不久的將來，水泥廠肯定也要實行超低排放，因此水泥廠脫硝技術亟待開發和改進。

2.1優化現有SNCR工藝

現有SNCR脫硝噴槍幾乎全部集中布置在分解爐的某個固定位置，而分解爐往往很高，且其內的燃燒場和溫度場是隨燃燒工況變化的，導致NOX的產生也是變化的。不同位置產生的NOX需及時噴入還原劑進行反應。因此應該通過對燃燒場和溫度場的模擬來確定其不同位置處NOX的產生量和分布規律，從而優化分解爐上不同位置處的噴槍數量和流量，及時高效地去除NOX。

2.2SNCR+SCR工藝

SCR（Selective Catalytic Reduc?tion）工藝是選擇性催化還原法，其原理是：在溫度為320～420℃的煙氣中均勻地投入還原劑（氨氣），在催化劑（稀土類催化劑或釩鈦類催化劑）的作用下，煙氣中的NOX與氨氣有選擇性地發生氧化還原反應，最終生成N2和H2O，從而去除NOX。其典型工藝流程如圖1所示。

SCR工藝具有以下優點：布置在預熱器尾部煙道（廢氣總管處），對燒成系統沒有影響；脫硝效率高達95%以上；可以有效利用生產原料或輔助燃料中的氨作為還原劑，氨逃逸率低（＜3p/m）；氨耗量低，氨氮比低，一般＜1。

SNCR+SCR工藝是前置SNCR系統，然后在預熱器尾部煙道處增加SCR反應器。該組合工藝一方面可以大大降低初期投資成本（有效利用SNCR來降低SCR反應器入口的NOX濃度，可大大減少催化劑的用量，降低初期投資成本），表1是以2 500t/d熟料生產線為例的不同脫硝工藝的投資成本。另一方面可以降低還原劑運行成本（該工藝只利用SNCR系統中還原劑的高效段，控制有效利用率在0.9以上。剩余的NOX通過后置的SCR反應器去除，以保證組合工藝的還原劑利用率＞0.9，從而大大降低還原劑運行成本）。SCR工藝已經在美國某水泥廠成功應用[4]，在NSR（氨氮摩爾比）較低的情況下，可以高效去除NOX，而且氨逃逸質量濃度＜1mg/m3。

3　結語

“十二五”期間，水泥行業積極響應國家政策，全力推進水泥生產線脫硝工程，主要采用SNCR工藝。該工藝脫硝效率一般在50%～70%左右，具有系統簡單、初期建設投資少、操作方便等優點。但在水泥廠的實際應用中存在NOX難以實現超低排放、氨水耗量大、運行成本高、氨逃逸高、監測滯后時間長、系統調整不及時等問題。隨著環保形勢越來越嚴峻，水泥廠超低排放勢在必行。鑒于此，利用優化SNCR系統和SNCR+SCR組合工藝來克服單純SNCR系統的缺點，同時發揮SCR的優點來降低企業投資成本、運行成本，可大幅降低氨逃逸，高效去除NOX，從而真正實現水泥廠的超低排放。

[1]唐新宇.2012水泥工業節能減排及清潔生產控制技術高峰論壇暨水泥工業脫硝、脫硫及除塵專題會[C].2012.

[2]周媛.水泥脫硝技術的環境影響研究[J].建材發展導向，2014，（2）.

[3]周榮，褚定杉，丁懷，王付超，許明海，韋彥斐，周敏捷.水泥廠氨排放標準存在的問題及氨排放控制[J].環境污染與防治，2015，（1）.

[4]USEPA.Alternative control techniques docu?ment update：NOXemissions from new cement?kilns[R].Washington，D.C.：USE-PA.2007．■

Technical Problems and Prospects of Denitrification in China's Cement Plant

TQ172.622.29

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