水泥窑废气脱硝技术选择

王鲁岩+包文忠+刘文山+唐新宇+程兆环

摘 要：目前我国水泥行业正在进行新型干法水泥窑烟气脱硝技术改造，主要进行选择性非催化还原技术改造并配合部分分级燃烧技术改造。本文主要介绍国内外水泥窑脱硝的各种脱硝工艺的技术特点和投资运行费用等，以供环保部门和水泥企业参考。

关键词：水泥炉窑；脱硝技术；氮氧化物

改革开放以来，我国水泥年产量由1978年的6524万吨提高到2012年的221000万吨，获得了飞速的发展。但是，水泥工业也是资源型高能耗产业，伴随着水泥工业的发展，水泥行业氮氧化物的排放量占到全国工业排放总量的8-10%。2013年9月国务院颁发了《大气污染防治行动计划》，环保部与相关单位于2013年12月27日联合发布了新修订的《水泥工业大气污染物排放标准》（GB 4915-2013）。目前水泥厂烟气氮氧化物限值由800mg/m3下调到400～320mg/m3，我国各省都在大力推进水泥窑炉脱硝技术改造工作。

新型干法水泥窑可以选择的降低氮氧化物排放的技术主要有：选择性非催化还原技术、低氮燃烧技术、催化还原技术、协同处置废弃物降低氮氧化物、工艺调整等。

1 选择性非催化还原技术

选择性非催化还原技术是目前我国水泥窑脱硝改造的首选技术。

1.1 原理

选择性非催化还原（selective non-catalytic reaction，简称SNCR）就是利用氨水、尿素等还原剂在不需要催化剂的情况下有选择性地与烟气中的氮氧化物（NOx）发生化学反应，生成氮气和水的方法。所发生的可能化学反应如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

2NH3+3O2→N2+3H2O

4NH3+5O2→4NO+6H2O

不仅包括氨与氮氧化物的反应，也包含氨与氧气的副反应。因此选择性非催化还原技术在达到同样脱硝效率的情况下，氨水的消耗量要高于选择性催化还原技术。

1.2 使用情况

水泥窑SNCR技术改造后，氮氧化物排放浓度多数都可以在原有基础上降低60%，减低到GB 4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》要求的320或400mg/m3的水平。

我国自从2011年首条水泥窑SNCR脱硝技术改造在湖南省中材湘潭水泥有限责任公司投运以来，发展非常迅速。目前湖南、贵州、重庆等省市的水泥窑多数都已经进行了SNCR技术改造，而山东、河南、新疆等省市也都预计在2014年完成水泥窑SNCR改造。

1.3 未来发展趋势

目前SNCR在水泥窑脱硝在国内外应用都较普遍，笔者考察了国内几十条水泥窑的SNCR系统，发现SNCR系统在水泥窑主要有两个问题：第一是成本问题，水泥窑SNCR系统毕竟给每吨水泥熟料增加了2-5元每吨的运行成本；第二是无烟煤SNCR系统的适应性问题，挥发分低于5%的难燃无烟煤水泥窑，SNCR的脱硝效果不好，运行成本也显著高于烟煤水泥窑；第三是实际运转率不高，高的使用成本严重制约了水泥窑SNCR系统的使用情况。因此，我国水泥窑SNCR未来的发展方向主要就是降低SNCR的使用成本贵，提高脱硝效果，并提高运转率。

2 选择性催化还原技术

2.1 原理

选择性催化还原（selective catalytic reaction，简称SCR）同SNCR类似，只是在催化剂存在的条件下，利用氨水、尿素等还原剂有选择性地与烟气中的氮氧化物（NOx）发生化学反应，生成氮气和水的方法。

2.2 使用情况

国内水泥窑应用SCR的报道很少，仅有金隅集团在太行前景用某大学二氧化钛基金属氧化物催化剂低温催化剂。在尾排风机出口取气，风量1250m3/h，从120℃（电）加热到170℃，从500mg/m3降低到60mg/m3。在80%以上活性保持了20h。后期使用情况不明。

全球仅有几个水泥厂正式应用过SCR技术，其中：德国的Solnhofen Zementwerkes的SCR系统从2001年运行至2006年1月。根据相关报道，SCR技术脱硝效率最高可达90%以上，同时可同步除去Hg、VOC、二噁英等污染物。制约SCR技术的主要问题是成本问题，虽然达到同步脱硝效率的氨水消耗量，SCR要低于SNCR，但是SCR要消耗大量的催化剂，因此根据美国环境保护署的报道，SCR的运行成本高于SNCR的运行成本100%-150%。

2.3 未来发展趋势

虽然SCR的运行成本高于SNCR，但是SNCR不能保证实现80%以上的脱硝效率，因此在未来环保标准可能更加严格的情况下，SCR仍然有其存在空间。另外目前的SCR催化剂活性温度普遍在300℃以上，在水泥窑的布置上只能采用在C1出口后布置的方式，因此粉尘含量极高，对催化剂的寿命不利，如果能研发出低温（120℃左右，适合布置在收尘器出口）的SCR催化剂，那么将有可能大大提高SCR催化剂寿命，降低运行成本。

3 低氮燃烧技术

3.1 原理

低氮燃烧技术在水泥行业也称为分级燃烧技术，包含空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术。其基本原理相同，都是通过空气或煤粉的分级送入，使煤粉首先在空气过剩系数小于1的缺氧条件下燃烧，使得燃烧生成的一氧化碳及燃料氮分解成中间产物（如NH、CN、HCN和NHx等）与氮氧化物进行还原反应，从而抑制氮氧化物的生产。

3.2 使用情况

空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术的脱硝效率最高都可以达到30%以上，但是由于操作习惯等多方面原因，实际投运的脱硝效果一般可以稳定在10-15%。目前在天津水泥工业设计研究院有限公司设计的2009年以后的新型干法水泥窑，都已经配置空气分级燃烧技术设备。中材湘潭的空气分级燃烧效果比较理想，在本底氮氧化物排放浓度约900mg/m3的情况下，可以通过分级燃烧稳定降低到600-650mg/m3左右。

分级燃烧技术的缺点是脱硝效率难以提高，单独采用分级燃烧技术无法满足国家环保部门的要求，必须与其他技术配合使用。

3.3 未来发展趋势

低氮燃烧技术运行成本较低，虽然脱硝效率不高，但是可以有效的降低选择性非催化还原技术的运行成本，因此在国内也得到环保部门的大力推动。现在主要问题是分级燃烧技术与现在水泥窑生产操作有一定差异，从了解、接受到逐步使用要一个过程。

4 其他技术

除了以上几种技术，还有低氮燃烧器、燃烧器加水煤浆、协同处置废弃物降低氮氧化物排放等技术方案。

低氮燃烧器通过浓淡燃烧、降低火焰最高点温度等方式，理论上可以降低氮氧化物排放0-5%，但是因低氮燃烧器在使用过程中需要优先保证窑的正常煅烧，通常需要提高火焰温度，与低氮燃烧器降低氮氧化物排放的要求背道而驰，因此实际上降低氮氧化物排放效果不显著。

协同处置污泥等废弃物时，因部分废弃物中有机质含量较高，在分解炉投入后释放出含氮的基团，与氮氧化物发生反应，降低了氮氧化物的排放浓度。但是因水泥窑协同处置废弃物受制于很多因素，从使用上仅适用于部分可以处置合适物质的水泥厂。

燃烧器加水煤浆等技术方案目前还在研究阶段，在实验中也可以得到10-15%的脱硝效率，但是尚未具备推广条件。

5 总结

本文总结了目前国内外降低水泥窑氮氧化物排放的几种技术的应用情况并指出未来的反战趋势，其中选择性非催化还原和分级燃烧是现阶段的主导脱硝技术。

参考文献

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基金项目：水泥窑炉NOx高温低成本还原材料与技术示范应用（2011BAE29B03）资助。

作者简介：包文忠（1966- ），男，高级工程师，硕士，研究方向：水泥工艺、水泥工业环保。