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水泥炉窑选择性(非)催化还原脱硝技术

北极星环保网来源:四川水泥 何洪2018/6/14 11:20:56我要投稿
所属行业: 大气治理  关键词:脱硝技术 SNCR 水泥行业

北极星环保网讯:随着社会的发展,环境保护工作日益得到各国政府和人民的高度重视,其中,大气环境质量是我们更加关注的问题,在过去的十年中,我国的SO2排放得到了广泛的治理和有效的控制。而NOx污染排放控制的工作在我国方兴未艾,“十二五”期间,NOx首次被列入约束性指标体系,排放总量要削减10%。目前,尽管SCR脱硝技术在电力行业得到大力的推广,我国NOx控制的形势依然十分严峻,在“十二五”的第一年,即2011年我国的NOx排放总量依然增加了7%左右,这就意味着在今后的四年中,我国的NOx排放控制工作将异常艰巨。NOx的主要排放源为电站锅炉、机动车、水泥和玻璃炉窑、工业锅炉、酸洗工艺过程以及其他各种工业窑炉。而在我国,水泥行业NOx的排放量已是居火力发电、汽车尾气排放之后的第三排放大户。NOx已成水泥行业主要废气污染物,排污费占企业排污费总额八成以上。

目前,我国拥有水泥企业近5000家,产量已连续多年位居世界首位。2010年全国累计水泥总产量18.7亿吨,其中,新型干法水泥比重达到80%。根据国家发改委的统计,截至2010年年底,采用国内技术和装备建设的新型干法水泥生产线已经达1300多条,日产4000吨以上的水泥生产线占60%左右,总计800多条生产线。如此之大的产业规模使水泥行业NOx排放对全国NOx排放贡献率达到12%~15%。水泥炉窑内的烧结温度高、过剩空气量大、NOx排放浓度高且灰量大使其脱硝工程面临着艰巨的挑战。

目前,用于水泥炉窑NOx排放控制的技术有火焰冷却、低氮燃烧器、分段燃烧、添加矿化剂、选择性非催化还原技术(SNCR)和选择性催化还原技术(SCR)。火焰冷却、低氮燃烧器、分段燃烧、添加矿化剂等技术是炉内燃烧控制技术,采用这些措施后,水泥炉窑的NOx排放控制水平可以达到200~500mg/Nm3。SNCR技术是在水泥炉窑内喷射还原剂,一般可以降低30%~50%的NOx排放,优化还原剂喷射方式可以使NOx净化效率提高到80%左右,但是,要进一步降低NOx排放,SCR技术是唯一的选择,SCR技术可以控制水泥炉窑的NOx排放达到100~200mg/Nm3,可以满足更严格的排放标准。

1水泥行业排放现状和标准的发展

从我国水泥工业NOx控制技术的使用情况来看,除一些水泥窑采用了低氮燃烧器设计,以及部分新型干法窑通过控制分解炉产生还原性气氛削减NOx排放外,基本未采取任何控制措施。德国近30年的监测结果显示回转窑废气中NOx排放浓度大约在300~2200mg/Nm3。而国内运行的新型干法水泥窑NOx排放浓度尚缺乏系统的统计数据,根据一些不完全的监测数据显示,大约在800~1600mg/Nm3左右,也有一些数据报道水泥炉窑平均排放浓度为500~800mg/Nm3。

我国在1985年颁布了第一个水泥行业环保标准,即《水泥工业污染物排放标准》(GB4915-85),1996年对该标准进行第一次修订,并更名为《水泥厂大气污染物排放标准》(GB4915-1996)。在GB4915-85标准中,没有对水泥炉窑的NOx排放提出限制,而GB4915-1996标准明确规定了水泥厂允许排放NOx的排放限值。2004年国家颁布了新的《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2004),该标准对已建和新建水泥厂的排放要求没有区分,NOx排放限值和GB4915-1996标准规定的水泥炉窑NOx排放限值一样,即为800mg/Nm3。和《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)相比,该限值远远高于火电厂大气污染物排放限值(100~200mg/Nm3)。预计随着国家对NOx排放控制日益严格和脱硝技术的发展,水泥行业的NOx排放标准将趋于更加严格。我国地方政府和相关部门与企业也逐渐加大水泥厂的NOx污染排放控制工作,其NOx排放值更加严格,例如,浙江桐庐水泥NOx排放控制工程的NOx排放限值规定为小于150mg/Nm3。

2SNCR脱硝技术

选择性非催化还原法(Selectivenon-CatalyticReduction,SNCR)是向水泥窑中喷氨或尿素等含有NH3基的还原剂,在高温(900~1100℃)和没有催化剂的情况下,通过烟道气流中产生的氨自由基与NOx反应,把NOx还原成N2和H2O。在SNCR反应中,部分还原剂将与烟气中的O2发生氧化反应生成CO2和H2O,因此还原剂消耗量较大。SNCR工艺的主要反应如下:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

目前的趋势是尿素代替NH3作为还原剂,使得操作系统更加安全可靠。一般来讲,SNCR技术对NOx的去除率要低于SCR技术,但是SNCR的设备投资少,制备成本低。

因为没有催化剂提高NOx还原反应速率,所以SNCR反应的温度窗口就凸显重要。在高温的情况下,会发生NH3的氧化竞争反应,产生额外的NOx,在低温的情况下,NOx的还原速率过低,导致净化效率下降和NH3的逃逸,而在烟气中添加H2可以促进SNCR反应,使其反应温度可以降低到700℃[1],但是,如果烟道气中有高浓度的SO2,将干扰这个反应。在通常的水泥回转窑中,合适的温度窗口在炉窑的中部,但是,由于回转窑需要旋转,所以喷射NH3或尿素还原剂是非常困难的。美国FuelTech公司发明了直接将固体还原剂(尿素)喷射到水泥窑的方法,但是该法的实际应用效果还在评价过程中。

SNCR技术的脱硝效率取决于温度、O2含量、CO含量、停留时间以及烟道气中NOx和NH3的含量。当NH3/NOx比值是1.5时,NOx排放的净化率可以达到60%~80%。但是如果NH3/NOx比值过高,将引起NH3气的排放。文献报道[2]NH3作为还原剂时,SNCR的最佳反应是950℃,如果使用尿素作为还原剂时,SNCR的最佳反应温度为1000℃,无论如何,使用NH3作还原剂时,脱硝效率会高一点。SNCR水泥窑脱硝技术在欧洲,尤其是在德国,得到了很广泛的应用。例如,2006年ERG公司的报告中指出,按照欧盟IPPC指令,SNCR工艺是目前可用于水泥工业回转窑上的脱硝技术,在2006年之前,在欧洲至少有18个水泥窑采用了SNCR脱硝技术,其中15座在德国,2座在瑞典,一座在瑞士。

在这些工程中还原剂多为浓度为25%的氨水,NH3/NOx比值为0.5~0.9,脱硝效率为10%~50%。瑞典的两座干法回转水泥窑在安装SNCR装置之后,在NH3/NOx比值为1.0~1.2的条件下,脱硝效率达到80%~85%,究其原因是采用了多点喷射技术(12个点),使反应有足够的时间发生。在北美地区,在2006年之前,至少有9家水泥窑采用了SNCR技术。最早的先行者是FuelTech公司,该公司发明了NOxOUT®技术,1993年在西雅图,1994年在南加州,1998年在爱荷华就使用了水泥窑脱硝NOxOUT®技术。2007年的美国环保局(EPA)的报告中总结了SNCR脱硝技术在水泥炉窑污染排放控制方面的应用(见表1)。

从表1我们可以看出,大多的SNCR技术对水泥炉窑NOx排放控制水平小于60%,而欧洲报道SNCR技术可以将减少80%左右的NOx排放。

综上所述,在国际上SNCR技术在水泥炉窑脱硝的应用得到了比较深入和广泛的研究,并且有了大量的工程应用示范。在我国水泥炉窑SNCR脱硝技术也开始受到业内的重视,值得注意的是今年“中材湘潭水泥”采用中材国际环境工程(北京)有限公司SNCR脱硝技术用于水泥炉窑的脱硝,有关环境监测机构的检测报告显示,其氮氧化物的排放最多可以降低80%,氮氧化物减排量达到3000吨/年。但是,我们不得不承认国内水泥炉窑脱硝的SNCR技术还没有得到深入的研究,也需要不断积累成功的工程经验。

3.SCR脱硝技术

选择性催化还原法(SelectiveCatalyticReduction,SCR)是工业上应用最广的一种脱硝技术,可应用于电站锅炉、工业锅炉和垃圾焚烧等燃烧设备的NOx排放控制,理想状态下,可使NOx的脱除率达90%以上,是目前能找到的最好的固定源NOx治理的技术。此法的原理为:使用适当的催化剂,在一定条件下,用氨作为催化反应的还原剂,使NOx转化为无害的氮气和水蒸气。反应如下:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2OSCR催化剂的组成一般为V2O5-MoO3(或WO3)/TiO2,其物理外形有蜂窝式、板式和波纹板式结构(图1),在实际工程中需要根据烟道气的流量,污染物浓度和含灰量确定整体催化剂的结构以及孔道尺寸。以分子筛为主要组分的SCR催化剂可以用于较高的温度条件,该类催化剂主要是将活性组分负载到堇青石蜂窝载体上,目前,分子筛基SCR催化剂主要用于柴油发动机的NOx排放控制。

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