技术丨水泥窑烟气脱硝治理工艺技术探讨

引言

“十三五”以来，随着国家环保政策的力度加大，污染物排放得到明显改善。2021年统计数据显示，2019年，水泥制造企业（以下简称水泥企业）氮氧化物排放量为72.3万t，占全国非金属矿物制品业氮氧化物排放量的43.4%，占全国工业排放总量的10%~12%，行业能耗高，污染物排放总量大。2020年以来，河南省、河北省、安徽省及江苏省等出台地方标准，要求水泥窑尾烟气NOx排放浓度不高于100mg/Nm3，各地方越来越重视水泥行业烟气NOx的深度治理，对水泥窑烟气脱硝技术提出了更高的要求。为此，从水泥窑尾烟气特点出发，综合考虑各种烟气脱硝工艺技术，探讨适合水泥窑烟气NOx深度减排工艺技术。

水泥窑尾预热器出来的烟气具有以下特点：

（1）NOx含量高，为300~1000mg/Nm。

（2）湿度大，水含量8%~16%；水蒸气露点一般为45~55℃。

（3）粉尘含量高，烟尘浓度达30~120g/Nm2，并含有碱土金属氧化物等腐蚀性成分。

（4）粉尘粒径小（<10μm的颗粒物约占75%~90%）、比电阻高，除尘难度大。以上可以看出，水泥窑尾预热器出来的烟气成分较为复杂，与传统燃煤电厂烟气治理工艺技术相差较大，需要寻找合适的脱硝工艺技术路线。

水泥行业NOx控制技术主要从燃烧前、燃烧中、燃烧后三个阶段人手。目前，燃烧前脱氮虽有研究，但应用极少。脱除NOx的研究及应用成果主要集中在燃烧过程中和燃烧后的NOx的控制。

2.1 燃烧过程脱硝技术

燃烧过程脱硝技术主要分为两类，即低氮燃烧技术和分级燃烧技术，分别对他们的相应特点作一阐述。

2.1.1 低氮燃烧技术特点

低氮燃烧技术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，过剩空气系数需要量小，火焰温度也较低，因此生成的氮氧化物少。采用低氮燃烧器，优点为：

（1）主要构成设备包含低氮喷煤管，设备简单，投资成本低；

（2）运行费用不高，且操作简单。

但缺点同样明显：

（1）低氮燃烧器整体脱硝效率低，一般为10%~15%，但在不影响正常生产情况下，脱硝效率一般为5%~10%;

（2）如果片面追求脱硝效率，会导致火焰温度过低，从而减弱窑热力强度，最终使得水泥窑减产或者熟料中游离的氧化钙含量的增高从而影响熟料的强度和稳定性。

2.1.2 分级燃烧特点

主要包括燃料分级燃烧和空气分级燃烧两种，这两种燃烧方式的原理相同：

第一步将燃料燃烧处于还原气氛中，形成富燃料区，减少或抑制NOx的生产；第二步是未完成燃烧的燃料与三次风过量空气汇合，在富氧区完全燃烧。燃料分级燃烧脱硝效率正常在10%~25%，空气分级燃烧脱硝率正常在15%~20%。

燃料分级燃烧和空气分级燃烧对操作员经验要求都极高，前者要掌握好分煤的比例，否则窑尾及分解炉出现结皮等现象；后者分解炉和分料的比例要掌握好，否则容易出现塌料等现象。

2.2 燃烧后脱硝控制技术

当前，水泥窑燃烧后烟气脱硝控制技术主要有选择性非催化还原（即SNCR）技术和选择性催化还原脱硝（即SCR）技术，相应特点比较见表1。

表1 SNCR和SCR脱硝技术指标对比

从表1中可以看出，选择性非催化还原脱硝（即SNCR）技术脱除NOx效率有限，从长远来看，不能满足日益严格的环保达标排放标准，且氨逃逸过高容易造成二次污染及腐蚀后端设备等问题。要完成NOx的深度减排，选择性催化还原脱硝（即SCR）技术成为研究和应用热点。

2.3 水泥窑烟气SCR脱硝技术

SCR脱硝技术不仅脱硝效率高，并且可将氨逃逸控制在5mg/Nm以下。结合水泥窑的特点，水泥窑炉烟气SCR脱硝有多种不同的布置形式，包括高温高尘布置、高温中尘布置、中低温低尘布置等。

2.3.1 高温高尘布置

高温高尘布置方式是将SCR反应器布置在预热器C出口与余热锅炉之间，烟气温度在280~400℃之间，此温度范围也是目前SCR脱硝催化剂的最佳活性温度窗口，NOx脱除率高，催化剂使用寿命长，烟气中颗粒物浓度达到80~120g/Nm2，此布置方式在济宁海螺、南京中国水泥厂、白马山水泥厂等有工程应用。选择高温高尘布置方式，需考虑大量灰对催化剂的磨损、堵塞，应选择大孔径、高强度的催化剂，同时选用运行清灰效果好的清灰系统。

2.3.2 高温中尘布置

高温中尘布置是在预热器C₁后端，SCR脱硝反应器前端增加高温除尘设备，将烟尘预处理后进人SCR反应塔，烟气温度约为280~350℃，含尘浓度约为20~40g/Nm3。西矿环保2018年采用“高温电除尘器+SCR脱硝技术”高温布置工艺进行工程应用，烟气出口NOx浓度<50mg/Nm，按逃逸<3ppml。此布置方式在登封宏昌水泥、石家庄曲寨水泥、江西万年青水泥等有工程应用，选择高温中尘布置方式，虽经高温除尘设备预处理，减少SCR反应器人口烟尘浓度，降低了对催化剂的磨损、堵塞，可以延长催化剂使用寿命，但增加高温除尘设备，一方面增加建设和运行成本，另一方面，和高温高尘布置类似，对催化剂的要求也较高。

2.3.3 中低温低尘布置

中低温低尘布置是将出余热锅炉的烟气引到SCR反应塔，烟气的温度会低于220℃，含尘浓度约为50g/Nm。长兴南方水泥有限公司通过中低温SCR脱硝技术中试研究及工程应用，将SCR反应塔置于余热锅炉后，处理入口烟气量380000Nm2/h（标况），烟气温度200~220℃，SO₂浓度≤300mg/Nm2,NOx浓度≤400mg/Nm，出口NOx排放浓度≤50mg/Nm，氨逃逸≤5mg/Nm3。

选择中低温低尘布置方式，入口烟气条件比较苛刻，将SCR装置布置在余热锅炉后端，存在烟气温度过低，催化剂不在最佳活性窗口温度，脱硝效率达不到最佳，同时亚硫酸铵及亚硫酸氢铵容易生成，长期运行可能会堵塞催化剂，若将烟气温度提高，又会增加投资成本。

对于水泥窑燃烧过程NOx控制技术存在脱硝效率低、对操作人员要求高等缺点，不能达到NOx深度减排的效果的问题，结合选择性非催化还原脱硝（即SNCR）技术和选择性催化还原脱硝（即SCR）技术的特点，汇总了水泥行业烟气SCR脱硝技术三种不同布置方式：高温高尘布置、高温中尘布置和中低温低尘布置特点及工程应用等。鉴于水泥窑生产因矿产原料不同、水泥生产工艺不同，烟气参数有所差异，所应选择的氮氧化物治理工艺也应不同，对于预热器出口SO，浓度低的水泥窑烟气治理，选择中低温低尘SCR布置或中低温低尘SCR布置+SNCR联合脱硝；对于预热器出口SO₂浓度较高的水泥窑烟气治理，并考虑建设和运行成本，高温高尘SCR脱硝技术应是今后发展和工程应用的方向。

作者：刘晓肖，汪春荣

来源：《中国水泥》

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