基于選擇性非催化還原法的水泥窯高濃度有機廢水脫硝研究*

李思瑤，胡 鑫，柴俊希，高瑞儀，周興偉

(青海大學化工學院，青海 西寧 810016)

水泥窯控制NOx排放的主要技術有選擇性催化還原法(SCR)與選擇性非催化還原法(SNCR)等。SCR技術雖然脫硝效率高，但脫硝成本高，并對操作溫度窗口和含塵量有特殊要求，在水泥窯極少使用[1]。SNCR技術目前在水泥行業應用廣泛，但以氨水作為還原劑，運行成本較高，同時存在氨逃逸及安全性的問題[2]；以尿素溶液作為還原劑時，脫硝反應速率較低，尿素利用率低[3]。目前，我國針對水泥窯尾煙氣脫硝技術還不成熟，煙氣脫硝技術應用較少，更沒有在高原地區開發應用實例。

高濃度氨氮廢水處理工藝復雜，處理成本高[4]，一般處理1噸高濃度氨氮廢水成本為2～8元。本文采用高濃度的有機廢水代替氨水了，作為水泥窯SNCR煙氣脫硝的還原劑，既解決了工業有機廢水，又節省SNCR脫硝還原劑的費用，從而降低了運行成本。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

1)實驗材料。丙烯酸(C3H4O2)廢水，為青海某公司生產的高濃度有機廢水。經檢測分析得到丙烯酸廢水的TOC、氨氮的測樣結果，見表1。

表1 丙烯酸廢水樣品測試結果 ρ/(mg/L)

2)實驗儀器。圓柱體燃煤爐，定量給煤機TWLD40(北京東方孚德技術發展中心)，水經泥漿泵G10-1(上海中球泵業有限公司)，TESTO340煙氣分析儀(德國德圖公司)，MCA04-M移動式高溫紅外多組分煙氣分析儀(德國fodisch公司)，雙流體霧化噴槍。

1.2 實驗方法

1.2.1 脫硝實驗

實驗以丙烯酸(C3H4O2)廢水為原料，在水泥窯分解爐內860～1150 ℃ 區域內噴射，將氮氧化物還原生成氮氣、二氧化碳、水。反應方程如下：

采用 2 t/h 實驗鍋爐模擬水泥窯分解爐進行廢水SNCR煙氣脫硝實驗。煙氣流量為 3510 m3/h，NOx質量分數為 68 mg/kg。廢水噴入點溫度為 880 ℃，廢水用量為 5.5 L/h。所選用的廢水中有機碳與氨氮含量見表2。廢水霧化噴槍外徑為 12 mm，出口直徑為 3 mm，管道壓力為 0.15 MPa 時，噴槍工作正常。

表2 廢水中有機碳與氨氮含量 ρ/(mg/L)

污水泵加壓后高濃度有機廢水泵至研發的雙流體霧化噴槍內，空氣壓縮機對槍體內的高濃度有機廢水加壓后霧化噴入圓柱體燃煤爐腔體內，調節進入爐體有機廢水的速率。高濃度有機廢水霧化后經噴槍進入爐體與高溫的煤爐反應，廢水的還原性物質在高溫條件下將氮氧化物還原成氮氣，達到脫硝的效果，通過風機排出到空氣中。

實驗所用燃煤為神木低硫低灰煤。將燃煤混勻后分成2組，分別進行燃煤爐無噴淋和噴淋試驗。實驗過程中控制2組試驗參數相同，以便對比。無噴淋實驗和噴淋實驗過程分別檢測煙氣成分對比脫硝效率，重復進行兩水平多因素實驗。

根據《水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》(GB30485-2013)[5]及《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915-2013)[6]，采用對燃煤煙氣成分分別進行連續在線分析和定時定點分析，在穩定燃燒周期內用NO的脫除效率表示丙烯酸鈉有機廢水的脫硝效率[7]。

2 結果與分析

2.1 煙氣溫度對脫硝的影響

在氧體積分數為4.1%，噴射高濃度丙烯酸鈉有機廢水的情況下，測定了溫度對脫硝效率的影響，如圖1所示。丙烯酸鈉有機廢水在溫度為 1190 K 時，脫硝效率為12.7%；隨著溫度的升高，脫硝效率逐步提高；在溫度為 1360 K 時，脫硝效率達到最高，為37.6%；溫度再升高，有機廢水的脫硝效率逐步下降。

圖1 溫度-脫硝效率曲線

2.2 氧含量的影響

煙氣中O2的體積分數對處理高濃度有機廢水的脫硝效率有重要影響。以氧體積分數為變量，結果如圖2所示。較低φ(O2)有助于提高廢氣中NO的去除效果，煙氣氧體積分數低于4%時，脫硝效率較高，達到40%；而氧體積分數高于5%時，脫硝效率急劇下降。表明煙氣氧含量提高，有機物與氧、NO的競爭性反應中，有機物易被氧氣氧化而失去脫硝能力。

圖2 氧濃度-脫硝效率曲線

2.3 停留時間的影響

如圖3所示，廢水在高溫區停留時間為 0.52 s 時，廢水的脫硝效率可以達到接近20%；高溫區停留時間達到 0.68 s 時脫硝效率提升至32%；停留時間達到 0.82 s 時，脫硝效率提高至37%左右。由于廢水中大分子有機物的升溫，有機物降解及與NO的還原反應都需要一定的時間，高濃度有機廢水在煤爐腔體內停留時間越長，與廢氣中氮氧化物的反應越充分，還原脫硝效果則越好。適當的增加反應時間，可以提高脫硝效果，因此廢水的停留時間不宜小于 0.8 s。

圖3 停留時間對脫硝效率的影響

2.4 廢水噴射方向的影響

由圖4分析可得，采用正向噴射和逆向噴射，對廢水脫硝效率有較大的影響。在單因素實驗得到優化條件的情況下，丙烯酸廢水煤爐爐體內延期溫度分別控制在 1185 K 和 1403 K ，改變雙流體霧化噴槍的噴射角度，分別采用正向噴射和反向噴射的噴射方式，改變高濃度丙烯酸廢水和廢爐氣的混合程度，改變爐內反應溫度。實驗表明，逆向噴射和正向噴射的脫硝效率分別達到30.4%和19.3%。

圖4 廢水噴射方向對脫硝效率的影響

3 結論

1) 本實驗測得低φ(O2)有利于高濃度有機廢水脫除煙氣中的NO；高濃度有機廢水霧化后同爐體內廢氣的混合充分程度和停留時間對工藝脫硝效率有重要的影響，反應停留時間控制在 0.80 s 以上時，脫硝效率較高；當爐體反應區溫度越高，工藝脫硝效率越高，但不宜高于 1360 K。

2)逆向噴入使丙烯酸廢水和煙氣的混合更加充分，更有助于脫硝反應的進行，同時，爐內低溫區氧化還原反應為動力控制，爐內高溫區為擴散控制。