对水泥脱硝技术的探讨

摘要：水泥行业是氮氧化物排放的大户，本文从氮氧化物的形成、目前脱硝的方法入手，分析探讨水泥烟气脱硝技术。

1前言

氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一，是多种氮的氧化物的总称，其中绝大部分为NO和NO2。NOX的主要危害有：①可刺激肺部，使之难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病;②一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的重要原因。我国NOX排放的来源主要是化石燃料，尤其是煤的燃烧。目前，我国有3000多家水泥企业，新型干法生产线1800余条，水泥行业氮氧化物的排放占总排放量约10%，是除了电力和机动车外的第三大排放污染源n]。《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)圈中规定：新建企业和现有企业执行窑尾NOX排放浓度不大于400mg/Nm3的规定，重点地区执行NOX排放浓度不大于320mg/Nm3的规定。

2水泥行业氮氧化物形成的原因

水泥企业生成NOX的途径主要有四种：①热力型NOX，燃料在窑头1400℃以上燃烧时会产生大量NOX;②快速型NOX它是有碳氢根存在时，于火焰前端快速形成的NOX，一般这种快速N0生成量的比例很小;③燃料型NOX，它是由燃料中所含的化学接合氮所产生的;④生料型NOX，它是由窑喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOX。在水泥窑废气中，NO2通常只占NO+NO2总量的5%以下，NO则占总量的95%以上。

通过研究和分析氮氧化物形成的原因，才能清楚地认识到，水泥生产过程中的氮氧化物是怎样产生的。才能从根本上来遏制氮氧化物的形成，或者是通过采用什么有效手段来降低氮氧化物的排放，从而可以有效的研究出水泥脱硝的方法。

3水泥行业脱硝处理的方法

目前、水泥行业脱硝方法主要分为两类：一是从煅烧工艺上来进行改进，已达到减少氮氧化物的目的，不用增加太多的设备和装置;二是增设脱硝设备和装置来减少氮氧化物，主要包括选择性非催化还原技术(SNCR)和选择性催化还原技术(SCR)。

3.1从煅烧工艺上入手来进行脱硝

3.1.1改进燃烧器或分解炉

在较低的温度下或氧气浓度低的情况下进行燃烧，可以有效的降低氮氧化物的生成因此，需要研究新型的燃烧器或分解炉，对燃烧器或分解炉进行改进。低氮燃烧器的主要特点是推力大，煤和空气混合好，燃烧速率快。它与传统的燃烧器相比，需要的过剩空气系数小，火焰温度也较低，因此生成的氮氧化物少。采用低氮分解炉，同样是为了减少分解炉中氮氧化物的形成，其原理与低氮燃烧器类似。

3.1.2采用分级燃烧技术

目前，分级燃烧主要分为空气分级燃烧和煤粉分级燃烧。

空气分级燃烧技术是国内外采用较多的一种低氮燃烧技术。其原理就是将分解炉燃烧所需的三次空气量由原来的底部切向导入改成分两级送入，燃料在缺氧状态下燃烧，燃烧速度和温度都在降低，从而减少了热力型NOX的产生。同时，燃烧产生的cO参与NOX的还原反应。另一部分三次风以二次风的形式进分解炉的二级燃烧区，即燃尽区，此区为富氧燃烧区，此时空气量增多，会产生新的NOX，但因为温度相对较低，新生成的NOX的量不高。

2CO+2N0~2CO2+N2

NH+NH—N2+H2

NH+NO—N2+OH

煤粉分级燃烧技术又称为再燃烧技术，是将分解炉用煤粉分上下两层喂入，这样，在分解炉的底部就形成了强还原区，以此消除回转窑过来的二次风以及炉内本身燃烧形成的NOX，从而起到降氮的作用。

分级燃烧技术主要就是改变了分解炉内内燃烧时的气氛，让炉内变成了强还原区，在不影响正常生产的情况下，降低了NOX的产生。这种方式虽然降低N0的比例不高，大约15%~25%，但基本上不用增加运行成本，可靠性高。

3.1.3高固气比悬浮预热技术

高固气比悬浮预热分解系统采用双系列并联平行气流与交叉串行料流方式及外循环分解炉，使得大部分物料在分解炉与预热器内得以分解，70%以上的燃料均在分解炉燃烧，大大减少了回转窑的燃料量，使得回转窑产生的NOx量降低。虽大部分的燃料在分解炉燃烧，但分解炉处的温度较低，操作条件相对稳定，且低温分解炉较易形成还原气氛，这对N0减排有利。同时，分解炉是外循环系统，燃料与气体的接触时间延长，则生成的NOx与炉内的还原气氛接触时间延长，这也有利于已生成NOx的还原。

可以看出，高固气比悬浮预热技术改变了物料分解方式，让物料不用在水泥旋转窑内分解，通过五级八次气固换热，提高了系统的热效率，有效降低了烟气温度和煤耗，最终大大的降低了NOx的排放。

3.2增设脱硝设备入手来进行脱硝

3.2.1选择性非催化还原技术SNCR

SNCR技术是一种成熟的NOx控制处理技术。此方法是在分解炉的合适温度区域加入还原剂氨水或尿素，在有部分氧存在的条件下，氨与NOx发生选择性非催化还原反应，将NOx转化成无污染的N2，主要化学反应有：

4N0+4NH3+O2--*4N2+6H20

6NO+4NH3—5N2+6H20

6NO2+SNH3—7N2+12H20

2NO2+4NH3+02-+3N2+6H20

3.2.2选择性催化还原技术(SCR)

SCR技术大规模的应用于国内外的电力行业中，在水泥行业还未广泛开展应用。SCR是利用NH3与NO反应的选择性，选择合适的催化剂，在350--~400℃时，在催化剂表面将富氧烟气中的N0还原成N和H2O。SCR化学反应与SNCR是一样的，只是降低了反应温度，提高了脱硝效率。

SCR技术又主要分为高温高尘、低温低尘脱硝技术。高温高尘SCR反应器布置在第一级旋风预热器之后，温度约为350℃，粉尘浓度80～100g/m3。其技术特点是：该温度范围适合大多数催化剂的工作温度，此处烟气温度与常规催化剂活性温度窗口较为吻合，无需对烟气进行再加热。低温低尘SCR反应器布置在窑尾除尘器后，温度约为250℃，粉尘浓度50mg/m3。催化剂可在无尘烟气中工作，可以减少烟尘对催化剂的磨蚀性，但由于烟气温度低(<250℃，难以达到催化剂的工作温度，需增加加热装置，增加能耗和运行费用。

3.2.3SNCR与SCR两种脱硝技术的比较

这两种技术各有优缺点，两者技术指标对比如表1所示。

由表1可知，SCR与SNCR相比，脱硝温度更低，效率更高，但是运行成本更高，且催化剂有可能中毒，活性降低。因此，目前水泥行业基本上都是采用SNCR技术来进行脱硝，脱硝效率较低，在40%~70%之间，能够达到目前氮氧化物排放的要求。

SCR技术的核心就是催化剂，其寿命决定了水泥脱硝的运行成本，若能够提高其运行寿命，降低其中毒的几率，在未来排放要求越来越高的情况下，SCR技术是必定作为水泥企业第一选择的。

目前，国内大多数水泥生产线NOx排放都高于850mg/Nm。，长期使用SNCR系统，单位熟料氨水的消耗成本如果按4元/t估算，平均产量5500t/d生产线，每天约耗费2.2万元人民币，年运转320天，脱硝成本约为704万元/年。由此可见，水泥脱硝成本还是很高的，特别是在水泥行业利润已经十分微薄的大环境下。因此，需要对脱硝技术进行深入研究，不断降低脱硝成本，这样才是对于水泥企业及环境都是最佳的选择。

4结语

目前，水泥行业脱硝是势在必行的，但在此过程中也存在不少问题。针对水泥行业脱硝，提出几条建议：

(1)不断研究燃烧过程中降低氮氧化物的方法，通过空气分级和燃料分级，在不增加成本的情况下来降低氮氧化物的形成。

(2)SNCR虽然运行成本相对较低，但是有脱硝效率相对较低的致命缺陷，在未来环保要求更高时，将很难满足国家排放要求，因此应大力研发SCR技术，开发出温度更低、使用寿命更长、不容易中毒的催化剂，降低使用成本，提高脱硝效率。

(3)为了提高脱硝效率，可以考虑多种脱硝方式结合的方法。旧的水泥厂可采用空气分级、燃料分级与SNCR(或SCR)结合的方式来提高脱硝效率，而新建水泥厂则可以考虑采用高固气比技术与SNCR(或SCR)结合的方式来实现降低氮氧化物排放的目标。