技术 | 水泥窑饱和蒸汽低氨燃烧脱硝技术改造（上）

国家《水泥工业大气污染物排放标准》GB4915—2013的实施，要求水泥生产的NOx排放小于400mg／m3。大部分地方法规规定水泥生产的NOx排放小于300mg／m3，氨逃逸小于10PPm。水泥生产企业SNCR脱硝NOx排放达标，还原剂(氨水)消耗量在2.3～4.6kg／t熟料，氨逃逸在5～10PPm，吨熟料脱硝成本增加2～5元/t，企业每年增加生产成本300~800万元，水泥企业运行成本增加大，氨逃逸造成二次污染。新技术创新节能降耗，减少二次污染是水泥企业当务之急。如何降低氨水使用量，降低额外增加的生产成本，困扰着各水泥窑企业。

1 NOx的生成机理

水泥窑企业生产过程中煅烧水泥熟料时生成一氧化氮NO的途径主要有四种：

第一种热力型NOx，它是燃料在水泥窑头1400℃以上燃烧时会产生大量NOx；

第二种瞬发型NOx，它是有碳氢根存在时，于火焰前端瞬发形成的NOx，一般这种瞬发NO生成量的比例很小；

第三种燃料NOx，它是由燃料中所含的化学接合氮所产生的。例如煤中约含有0.5％~2％的氮(按质量计)。因为燃料中氮原子的接合能较小，所以在水泥窑系统相对较低温的分解炉内产生的燃料NOx较多；

第四种生料NOx，它是由窑喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx，例女NH4等。在窑废气中NO₂一般仅占NO+NO₂总量的5％以下，NO则占总量的95％以上。

2 水泥企业采用脱硝方式

许多企业采用各种办法：

一是优化窑和分解炉的燃烧制度。

二是改变配料方案，掺用矿化剂以求降低熟料烧成温度和时间，改进熟料易烧性。

三是采用低NOx的燃烧器。

四是在窑尾分解炉和管道中的阶段燃烧技术。然而，即使把上述四种措施全部采用起来，事实上水泥窑的NOx排放也很难达到400mg／Nm3以下。

采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝法或选择性催化还原(SCR)脱硝法进一步降低NOx排放的措施是一个非常有效的降低NOx排放的途径。近年来，SNCR技术的推广应用大大降低了水泥行业氮氧化物的排放量，但也给水泥企业带来了一定的成本压力。

3 选择性非催化还原(SNCR)脱硝法

3.1 SNCR降低NOx原理

在分解炉的中上部(约950％)加入还原剂尿【CO(NH₂)2】或氨水(NH4OH)，在有部分氧存在的条件下，发生以下反应过程。

4H₃+4NO+O₂---4N₂+6H₂O                式(1)

温度进一步升高，则可能发生以下反应：

4H₃+5O₂---4NO+6H₂0                       式(2)

当温度低于800℃时，NH₃与NO的反应速度很慢；当温度高于1050℃时反应式(2)会逐渐起主导作用，当温度高于1300℃时NH₃转变为NO的趋势会变得明显。

SNCR的反应机理非常复杂，目前仍未能完全了解，多数学者认为NHx基还原剂按图1所示的途径反应。

3.2 工艺流程(见图2)

在分解炉的中下部喷人氨水或尿素等容液，使之与烟气中的NOx化合，并将其还原成氮气和水。这样就可较大幅度地削减NOx的排放，削减效果达30％~85％，NO₂排放浓度可降到200—400mg／Nm3。氨水储存罐的氨水经过过滤器后，通过氨水添加泵送入分解炉，出添加泵的溶液经过滤后进入流量调节阀和流量计，经计量的溶液进入喷嘴，在喷嘴内与压缩空气混合，雾化后喷人分解炉内。喷嘴位置在分解炉中部(位置见图2)，有多个喷嘴。其关键技术是喷嘴位置的确定，确定喷嘴位置主要考虑设备内部的气体温度，尿素还原NOx反应的适宜温度为950℃～1050℃，此处内部气体温度约1000℃喷嘴的结构和喷嘴的质量是尿素添加设备的技术关键，喷嘴的结构设计应该首先保证使尿素溶液具有良好的雾化效果，其次应考虑喷嘴本身处于高温部位，应具有良好的耐热性能，不易烧损。

4.1 SCR降低NOx原理

尽管综合采用上述各种措施包括SNCR在内，确保水泥窑NOx的排放稳定在200mg／Nm₃以下(现行德国标准)，但胜任这样要求的富余能力尚不够大，即其可靠性与安全性尚须进一步地提高，于是就出现了选择性非催化还原(SNCR)脱硝法。在预热器出口的管道上把烟气(约350℃)引入SCR反应器，在管道上加入还原剂尿素【CO(NH₂)2]或氨水(NH4OH)，氮氧化物在催化剂作用下被氨还原为无害的氮气和水:

4NO+4NH₃+0₃→4N₂+6H₂0

4NH₃+2N0₂+0₂→3N₂+6H₂0

N₂+NO+2NH₃→2N₂+3H₂0

4.2 工艺流程(见图3)

在窑尾预热器和增湿塔之间增设一个SCR反应塔，将C1预热器的废气由该反应塔上部导入，与喷人塔内的氨水或尿素等还原剂相混合，借助反应塔内多层接触剂的催化作用，确保脱氮反应更充分地完成，多层板式催化剂由V₂O5、W₂O₃等活性组分制成的。

来源：《青州中联水泥有限公司、山东卓昶节能科技有限公司》

作者：吕鹏、李保明、李宗发、郭承凯

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