技术 | 热碳催化还原脱硝技术在水泥生产中的应用

摘要：根据《河南省2018年大气污染防治攻坚战工作方案》中“在2018年10月底前完成全省陶瓷、钢铁、水泥、碳素、玻璃行业的超低排放改造”的要求，南阳中联卧龙水泥有限公司通过技术对比，在原有SNCR脱硝的基础上，采用“热碳催化还原复合脱硝技术”于2018年3月完成了公司熟料生产线的氮氧化物超低排放技术改造。通过近一年的生产运行，成功实现了“氮氧化物≤50 mg/Nm3，氨逃逸≤8 mg/Nm3”预期目标，且生产过程氮氧化物和氨逃逸小时均值分别稳定控制在35 mg/Nm3和3 mg/Nm3左右，熟料产质量没有受到影响，产生了良好的环境、经济与社会效益。

我公司熟料烧成系统采用了旋风预热窑外分解技术，2007年10月投产。2014年11月建成SNCR脱硝系统投入使用，窑尾烟气中氮氧化物排放浓度可稳定控制在320 mg/Nm3以下。2017年底河南省提出超低排放设想，当时我公司用SNCR脱硝做试验，采用德图370设备检测（原有在线检测设备检测精度低），试验期间氨水喷量从正常的0.6 m3/h加大到1.5~1.7 m3/h将氮氧化物控制在100 mg/Nm3以内，但氨逃逸严重超出国家标准。试验结果表明升级改造势在必行，我公司根据管理区的安排部署，迅速采取行动，通过脱硝技术对比，于2018年1月决定采用“热碳催化还原复合脱硝技术”对回转窑超低排放中的氮氧化物实施升级改造，2018年3月改造完成投入运行至今。

1 技改方案

2018年1月烧成系统降低氮氧化物排放改造开始实施，改造方案是通过对分解炉进行分风、分煤、分料和粉状催化剂投料的工艺改造，在分解炉下部的局部区域制造贫氧还原氛围，以热碳和CO为还原剂，并在高效复合催化剂HECDC-II的作用下快速将NOx还原为N2和CO2。同时，对原有的SNCR脱硝系统进行优化改造，在分解炉后部再喷入少量氨水，以NH3为还原剂，将NOx还原为N2和H2O。最终实现窑尾烟气中NOx排放浓度稳定控制在50 mg/Nm3以下，且氨逃逸浓度满足国家标准限值要求。

氮氧化物超低排放技术改造主要增加的配置有：

（1）催化剂储存和计量输送系统：采用100 m3钢板仓储存脱硝催化剂，并在仓顶增设收尘装置。催化剂经仓底计量系统后送入均化库底到入窑斗式提升机的斜槽内。脱硝催化剂储存罐见图1，催化剂计量输送系统见图2。

（2）分煤、分风、分料系统：分煤系统（见图3）是在分解炉锥部新增设4根送煤管道，配套增加低氮燃烧器，并将上部原有送煤管道变细，确保所有送煤管道通风截面之和与改前保持一致，保证送煤风速。主管道一分为二配置2个电动控制阀，保证精确控制分煤量，使尾煤充分布满烟道空间，强化分解炉中下部的还原氛围。

三次风分风系统（见图3）：增设三次风分风管道，配套安装电动控制的耐高温闸板1套，以保证分风量的准确控制，使分解炉中下部形成还原氛围。

分料系统（见图4）：配置三通、下料管道等，分料量约为20%~30%，既控制分解炉锥部温度，同时增大了生料的分解空间。

（3）气氛与温度检测系统（见图5）：在分解炉出口配置1套无间断精密气氛检测仪装置，配置2个高温探头，以便能够实时监测炉内气氛，及时调整脱硝系统控制。

（4）现有SNCR喷氨装置改造：将喷氨位置由分解炉鹅颈管上部改到鹅颈管到C5入口烟气管道的中部，平均分布8个喷头，优化喷入压力，使得氨水雾化效果增强，提高脱硝效率。

（5）饱和蒸汽供给系统：用余热发电SP锅炉的饱和蒸汽喷入分解炉锥部新增的低氮燃烧器，此方案需根据煤粉水分大小决定蒸汽喷入量。

（6）脱硝中控系统配置（见图6）：中控系统可根据监测数据对分风、分煤及催化剂计量等工况参数进行调节控制。

（7）环保自动在线设备全部更新（见图7）。利用2018年6月停机期间进行了更换（窑头、窑尾废气排出口的烟气连续在线监测设备分别采用HP5000D型和HP5000SN型烟气在线连续监测系统），满足超低排放连续监测精度要求。

2 热碳催化还原脱硝技术原理及控制要点

热碳催化还原脱硝技术的化学反应原理是利用热碳在贫氧环境下将NOx还原成N2达到脱硝目的。主要化学反应如下：

C+2NO→CO2+N2

C+NO2→CO2+1/2N2

CO+NO→CO2+1/2N2

CO+NO2→CO2+1/2N2+1/2O2

氮氧化物超低排放技术改造的技术要点：

（1）控制燃烧造成弱贫氧氛围；

（2）控制温度造成碳与氮氧化物反应的环境（最佳650~900 ℃）；

（3）控制适当的反应时间；

（4）催化剂加速反应速度；

（5）在分解炉适当的位置供氧确保充分燃烧，不影响熟料的产量和质量。

3 改造效果

该项目于2018年1月开始实施，3月份窑点火后投入使用，NOx排放浓度控制在50~70 mg/Nm3。经调试和优化，10月13日开始NOx排放浓度可稳定控制在50 mg/Nm3以下（小时均值控制在35 mg/Nm3左右），且氨逃逸浓度在3 mg/Nm3左右，远小于8 mg/Nm3的国家标准，10月23日正式通过超低排放专家组验收。表1是2018年10月以来，我公司对熟料产量、实物煤耗、氮氧化物、氨逃逸的统计（不含错峰停产时间）。

该脱硝系统超低排放技术改造方案，与SCR方案相比，投资费用低，运行成本低，维修费用低。该项改造方案实施之后，有效地节约了脱硝系统的氨水用量，降低了生产过程中的能源消耗，降低了生产成本。同时大幅度降低氮氧化物排放浓度，减少了空气污染，创造了良好的社会效益，利国利民。

改造运行以来，我公司已多次接待行业内企业和政府环保部门的参观与检查，并为多家企业解决类似问题提供了技术支持和指导。

4 结束语

我公司的改造运行实践表明，热碳催化还原脱硝技术可以在较低氨水用量下实现氮氧化物超低排放和氨逃逸不超标，脱硝效果显著，且具有投资相对较小，生产运行稳定和节能的特点，经济效益和社会效益显著，值得水泥行业各企业借鉴和推广。

作者单位：南阳中联卧龙水泥有限公司