1 前言

　　“十二五”期間，國家將加大對氮氧化物的排放控制?！笆濉逼陂g我國氮氧化物排放總量要達到減排10％的目標。這就需要加大對電力、水泥、冶金等行業(yè)產(chǎn)生的氮氧化物進行控制。水水泥行業(yè)氮氧化物的排放量占全國工業(yè)排放總量的15%左右，已是居火力發(fā)電、汽車尾氣之后的第三大氮氧化物排放大戶。工信部582號文件關于水泥工業(yè)節(jié)能減排的指導意見，提出了具體的量化目標:到“十二五”末，氮氧化物在2009年的基礎上降低25%。同時指出，新建或改擴建水泥（孰料）生產(chǎn)線項目必須配置脫硝裝置。且脫硝效率不低于60%。因此，探討水泥行業(yè)最佳可行的脫硝技術顯得尤為迫切。

　　回轉窯是新型干法水泥物料燒成的關鍵技術裝備，也是NOx的主要來源。煅燒水泥熟料時生成一氧化氮NO的途徑主要有四種，即第一種熱力NOx，它是燃料在水泥窯頭1400℃以上燃燒時會產(chǎn)生大量NOx；第二種瞬發(fā)NOx，它是有碳氫根存在時，于火焰前端瞬發(fā)形成的NOx，一般這種瞬發(fā)NO生成量的比例很??；第三種燃料NO，它是由燃料中所含的化學接合氮所產(chǎn)生的。因為燃料中氮原子的接合能較小，所以在水泥窯系統(tǒng)相對較低溫的分解爐內產(chǎn)生的燃料NOx較多；第四種生料NOx，它是由窯喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx。在窯廢氣中NO₂一般僅占NO+NO₂總量的5％以下，NO則占總量的95％以上。國內運行的干法水泥窯NOx排放濃度大約在900～1700mg/Nm³ 左右。

　　在我國，新型干法水泥回轉窯上常用的NOx控制技術主要有以下幾種：一是優(yōu)化窯和分解爐的燃燒制度；二是改變配料方案，摻用礦化劑以求降低熟料燒成溫度和時間，改進熟料易燒性；三是采用低NOx的燃燒器；四是在窯尾分解爐和管道中的階段燃燒技術。然而，即使把上述四種措施全部采用起來，事實上水泥窯的NOx排放也很難達到400mg/Nm³以下。采用選擇性非催化還原（SNCR）脫硝法或選擇性催化還原（SCR）脫硝法進一步降低NOx排放的措施是一個非常有效的降低NOx排放的途徑。本文主要討論關于SNCR和SCR脫硝技術在水泥廠的運用。

　　2 水泥爐窯選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝技術

　　2.1  工藝流程

　　選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝技術是在沒有催化劑的條件下，在950～1050℃的溫度范圍內，把還原劑（氨氣或尿素）噴入水泥爐窯內，還原劑與爐窯中的氮氧化物（主要是一氧化氮和二氧化氮）發(fā)生化學反應，生成氮氣和水，從而減少煙氣中氮氧化物的排放。

　　在分解爐或爐膛的中下部噴入還原劑尿素[CO(NH₂)₂]或氨水(NH₄OH) ，在有部分氧存在的條件下，發(fā)生以下反應過程。

　　4NH₃ + 4NO + O₂ →4N₂ + 6H₂O   (1)

　　溫度進一步升高，則可能發(fā)生以下的反應:

　　4NH₃ + 5O₂ →4NO + 6H₂O        (2)

　　當溫度低于800℃時，NH₃與NO的反應速度很慢；當溫度高于1100℃時反應式(2)會逐漸起主導作用，當溫度高于1300℃時NH₃轉變?yōu)镹O的趨勢會變得明顯。

　　當選用尿素作為脫硝還原劑時，有關的工藝流程圖如圖1所示。

　　1) 尿素供應站

　　尿素存儲系統(tǒng)、尿素溶液配制系統(tǒng)和尿素溶液儲存系統(tǒng)集中布置， 共同組成尿素供應站。尿素站主要設備包括:干尿素儲倉，計量倉，螺旋輸送機，配液池，尿素溶液儲罐，尿素溶液輸送泵和水加壓泵。在尿素站內， 完成尿素儲存、尿素溶液配制的任務， 泵送到爐前噴射系統(tǒng)。

　　2)爐前噴射系統(tǒng)

　　爐前噴射系統(tǒng)由N層噴射層組成， 每層由M個噴射器組成。N層噴射層布置在爐窯適當?shù)奈恢茫?以適應爐窯煙氣溫度變化， 使尿素溶液在最佳反應溫度窗口噴入爐窯內。每層噴射層都設有總閥門控制本噴射層是否投運， 不投運的噴射槍則由氣動推進器帶動退出爐窯膛避免高溫受熱。各噴射層的尿素管道和霧化蒸汽管道上均設有調節(jié)閥門， 控制噴射層的流量。

　　3)自動控制系統(tǒng)

　　自動控制系統(tǒng)采用獨立的可編程序邏輯控制器(PLC)， 系統(tǒng)單獨設置 1臺工程師站 (兼操作員站)， 預留OPC 通信接口與電廠分散控制系統(tǒng) (DCS)通信; 系統(tǒng)設有必要的報表、查詢和報警等功能?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)采集的相關信號， 控制、調節(jié)主要設備運行情況和噴槍運行情況， 實現(xiàn)高效脫硝。

　　2.2  關鍵技術問題

　　SNCR技術的關鍵是：還原劑噴射在合適的溫度窗口，以及噴入的還原劑與煙氣中NO_X的充分混合，從而實現(xiàn)較高的脫硝效率，降低還原劑的耗量和尾部氨的逃逸量。

　　1）噴嘴位置的確定

　　確定噴嘴位置主要考慮爐窯內部的氣體溫度，尿素還原 NOx 反應的適宜溫度為 950℃～1050℃。噴嘴的位置選擇是否合適，直接決定了SNCR的脫硝效率的高低。噴嘴位置的選擇是整個SNCR系統(tǒng)最關鍵的地方。

　　選擇合適的噴嘴位置，主要通過兩種途徑來實現(xiàn)：

　　CFD流場模擬，來確定最佳噴射點；

　　通過紅外線現(xiàn)場測試爐窯內溫度分布，確定噴射位置。

　　2）尿素溶液的霧化要求

　　尿素溶液噴入到爐窯后，要求尿素與 NOx 必須在很短的時間內完成反應 ，否則尿素就會流動到較低的溫度區(qū)域 ，明顯降低尿素還原 NOx的反應程度。為了使尿素與NOx 的反應在很短的時間內完成 ，必須對尿素溶液進行良好的霧化。對尿素溶液進行良好的霧化 ，必須選擇噴嘴的結構和噴嘴處的液體、氣體壓力和流量。噴嘴處的液體壓力一般為0.4MPa，噴嘴處的氣體壓力一般為0.3MPa。

　　3）噴嘴的結構和材質

　　噴嘴的質量是尿素添加設備的技術關鍵，噴嘴的結構設計應該首先保證使尿素溶液具有良好的霧化效果，其次應考慮噴嘴本身處于高溫部位，應具有良好的耐熱性能，不易燒損。

　　2.3  水泥爐窯SNCR脫硝技術需要注意的幾個問題

　　1）目前國內一般沒有現(xiàn)成的50%尿素溶液采購，所以需從化肥廠買來袋裝尿素自行配制成尿素溶液。由于尿素的溶解過程是吸熱反應，在尿素溶液配制過程中需配置功率強大的熱源，以防尿素溶解后的再結晶。在北方寒冷地區(qū)的氣象條件下，該問題將會暴露的更明顯。

　　2）在整個SNCR脫硝工藝中，尿素溶液總是處于被加熱狀態(tài)。若尿素的溶解水和稀釋水（一般為工業(yè)水）的硬度過高，在加熱過程中水中的鈣、鎂離子析出會造成脫硝系統(tǒng)的管路結垢、堵塞。因此，必須在尿素中添加阻垢劑或采用除鹽水作為脫硝工藝水。[Page]

　　3）由于噴嘴噴射器工作在爐窯內部高溫區(qū)，為防止噴射器冷卻水管路內部結垢，需采用除鹽水作為多噴嘴噴射器冷卻水。

　　4）在SNCR脫硝工藝中，廠用氣的耗量也是較大的。噴射霧化、設備冷卻需、管路吹掃都需要廠用氣。

　　3 水泥爐窯選擇性催化還原（SCR）脫硝技術

　　3.1  SCR 降低NOx原理

　　選擇性催化還原法（SCR）是利用還原劑在催化劑作用下有選擇性地與爐窯中的氮氧化物（主要是一氧化氮和二氧化氮）發(fā)生化學反應，生成氮氣和水，從而減少煙氣中氮氧化物排放的一種脫硝工藝。

　　運用SNCR脫硝技術，確保水泥窯NOx的排放穩(wěn)定在800mg/Nm³，是可以比較可靠的實現(xiàn)。但要達到400 mg/Nm³以下甚至更低，單獨依靠SNCR已不能穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)，必須和SCR脫硝技術結合起來。SCR脫硝技術的原理如下：

　　4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

　　4NH₃+2NO₂+O₂→3N₂+6H₂O

　　NO₂+NO+2NH₃→2N₂+3H₂O

　　3.2  工藝流程

　　在窯尾預熱器和增濕塔之間增設一個SCR反應塔，將預熱器的廢氣由該反應塔上部導入，與噴入塔內的氨水或尿素等還原劑相混合，借助反應塔內多層催化劑的催化作用，確保脫氮反應更充分地完成，催化劑由V₂O₅、W₂O₃等活性組分制成的。水泥行業(yè)SCR脫硝工藝流程圖如圖2所示。

　　SCR脫硝工藝裝置的主要組成部分包括一個SCR反應器、一個儲罐及一個還原劑注入系統(tǒng)。還原劑即可是帶壓的無水液氨， 也可是常壓下的氨水溶液(通常重量濃度為25%)。當采用氨水或尿素溶液時，通常將其通過位于導管或滑流的霧化噴嘴直接注入到煙氣通道中。無水液氨的儲存壓力取決于儲罐的溫度。液氨通過蒸發(fā)器中的蒸汽、熱水或電被蒸發(fā)。然后， 蒸發(fā)的氨氣經(jīng)空氣稀釋， 通過注入系統(tǒng)被注入到煙氣中。注入系統(tǒng)有許多注射噴嘴組成，使氨和煙氣均勻分布。另一方面， 在噴嘴數(shù)量較少的情況下， 可以結合一個靜態(tài)混合器一起使用。氨氣在煙氣內的均勻分布對于實現(xiàn)NO_X的有效還原、較低的氨逸出量以及由此達到催化劑的有效利用都十分重要。

　　考慮到脫硝催化劑的投資成本較高，水泥爐窯很少單獨依靠SCR來實現(xiàn)對氮氧化物的控制。在要求較低的排放濃度的情況下，一般采取把SCR與SNCR結合起來的聯(lián)合脫硝技術。

　　3.3水泥爐窯SCR脫硝工藝需要注意的問題

　　1）高粉塵濃度對催化劑的影響大

　　水泥爐窯尾部的粉塵含量可高達80～100g/Nm³，易造成催化劑孔隙堵塞，使系統(tǒng)壓降迅速增加，給引風機的正常運行造成嚴重威脅，從而影響水泥爐窯生產(chǎn)線長期穩(wěn)定運行。

　　水泥爐窯SCR脫硝工藝對催化劑的堵塞和磨損，提出了更高的要求。

　　2）催化劑中毒問題

　　水泥爐窯煙氣中鈉 、鉀等水溶性堿金屬化合物易與催化劑中的V₂O₅反應導致催化劑中毒，從而降低催化劑的活性。同時，水泥爐窯煙氣中的CaO含量較高，易于SO₃反應生成CaSO₄，覆蓋催化劑的表面，降低催化劑的活性。

　　水泥爐窯SCR脫硝系統(tǒng)中，由于煙氣中堿性金屬氧化物含量較高，要特別注意催化劑的中毒問題。

　　4 水泥爐窯SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術

　　4.1  SNCR+SCR聯(lián)合脫硝的特點

　　1）催化劑用量小

　　SCR工藝由于催化劑非常昂貴，使得SCR系統(tǒng)的投資很大。并且由于需要定期更換，運行費用也很高。SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝由于首先采用了SNCR工藝初步脫硝，脫硝效率可以達到40%甚至更高，降低了對催化劑的依賴。與SCR工藝相比，混合工藝的催化劑用量可以大大減少。

　　2）SCR反應塔體積小，空間適應性強

　　由于聯(lián)合脫硝工藝催化劑用量少，通過對煙道、擴展煙道等進行改造來布置SCR反應器，大大縮短了反應器上游煙道長度。它與單一的SCR工藝相比，不需要復雜的鋼結構，節(jié)省了投資且不受場地的限制。

　　3）脫硝系統(tǒng)阻力小

　　由于聯(lián)合脫硝工藝的催化劑用量少，SCR反應器體積小，其前部煙道較短因此，與傳統(tǒng)SCR工藝相比，系統(tǒng)壓降將大大減小，減少了引風機改造的工作量，降低了運行費用。

　　4）減少SO₂向SO₃的轉化，降低腐蝕危害

　　催化劑的使用雖然有助于提高脫硝效率，但也存在增強SO₂向SO₃轉化的副作用，而煙氣中的SO₃含量的增加，將生成更多的NH₄HSO₄。NH₄HSO₄的黏結性很強，在煙氣溫度較低時，會堵塞催化劑并對下游設備造成腐蝕。聯(lián)合脫硝技術由于減少了催化劑的用量，將使這一問題得到一定程度的遏制。

　　5）簡化還原劑噴射系統(tǒng)

　　為了為了獲得高效脫硝反應，要求噴入的氨與煙氣中的NO_X有良好的接觸并要求在催化反應器前形成分布均勻的流場、濃度場和溫度場，為此，單一的SCR工藝除必須設置復雜的氨噴射格柵（AIG）及其控制系統(tǒng)外，還往往需要在多處安放摻混設施、加長煙道以保證AIG與催化劑之間有足夠遠的距離等措施，以達到上述要求。而混合工藝的還原劑噴射系統(tǒng)布置在鍋爐爐墻上，與下游的SCR反應器距離很遠，因此，無需再加裝混合設施，也無需加長煙道，就可以在催化劑反應器入口獲得良好還原劑與NO_X的混合及分布。

　　5 小結

　　1）從世界范圍來看，已實施的水泥廠脫硝工程，幾乎全部采用SNCR脫硝技術。SNCR脫硝是目前水泥行業(yè)脫硝的主流技術。

　　2）SNCR法的脫硝的效率為50%～60% ，低于選擇性催化還原法(SCR)脫硝的效率(80%～90%)，而SNCR法的費用只有SCR 法的五分之一左右。

　　3）SCR脫硝技術可以有效地控制氮氧化物的排放，可以保證爐窯煙氣的NO_X排放濃度降到100～200mg/Nm³。但SCR需要使用和消耗價格昂貴的貴金屬催化劑，且由于水泥企業(yè)廢氣的粉塵濃度很高，堿金屬含量較高，易使催化劑中毒和堵塞。SCR脫硝技術在水泥工業(yè)上的實踐才剛剛開始，還有諸多改進的空間。

　　4）隨著水泥行業(yè)的發(fā)展和環(huán)保標準要求的不斷提高， SNCR和SCR脫硝將會得到廣泛的運用。

　　參考文獻

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