水泥窑脱硝工艺技术初探

韩屹勍

（河北金隅鼎鑫水泥有限公司，河北 石家庄 050226）

氮氧化物（NOx） 是导致大气污染的核心污染源的其中一类。根据环保部门相关统计数据显示，水泥工业的氮氧化物排放量约占全国总量的10%～12%，是继火电厂、机动车之后的第三大排放源。

1 水泥窑氮氧化物生成途径

水泥窑产生氮氧化物的途径大致有三种：一是原燃材料中含有的燃料型氮氧化物；二是高温煅烧条件下，空气中的氮气和氧气发生化学反应生成的,热力型氮氧化物；三是在缺氧的条件下反应生成的快速型氮氧化物。

2 脱硝策略

2.1 分级燃烧脱硝技术

现水泥行业普遍使用的新型干法预分解水泥工艺其实质也是一种分级燃烧，充分利用好分解炉自身特性实现脱硝是水泥窑脱硝的独特优势。一般的做法是在氧含量低于3%的窑尾烟气中喷入煤粉，煤粉在分解炉锥部高温、缺氧的空间内形成20000ppm 的CO，利用CO 的强还原性将NOx 还原成氮气。此技术对分解炉容的占用较小，简单易行，投资较小，已在多数水泥窑上成功使用和推广。但问题是其脱硝效率较低，一般仅做到40-50%，对于许多有超低要求的地区难以达到要求，必须配合SNCR 等其他技术合并使用。

为解决脱硝效率不高的问题，德国洪堡公司专有的PYROCLON®REDOX 技术应运而生。该技术将新建的PYROCLON®REDOX 反应器布置在窑尾烟室和分解炉之间，喂入一定比例的煤粉，煤粉在反应器的低氧含量烟气中发生高温分解和气化反应生成大量CO 和热炭，热炭又将来自窑尾废气中的CO2还原形成CO，CO 将NOx 还原成N2。此技术相当于分级燃烧的加强版，具有小幅提产作用，投资较高而运行成本低，可适用于生活垃圾等其他替代燃料的使用等特点。另因CO 的爆炸极限范围是12.5%～74.2%，而煤粉在反应器中产生的CO 浓度最高约为5%，低于CO 的爆炸极限范围，不会在分解炉内爆炸。

2.2 SNCR 脱硝技术

SNCR 脱硝的特点是选择氨水作为脱硝还原剂，设施包括氨水储罐、传送泵、溶液添加泵、调控阀、流量测试设备、喷嘴、NOx 检测仪等。

NH3还原NOx 的反应对烟气温度极为敏感，反应最佳温度区间为850～1050℃，因此温度场的科学选择尤其关键。挑选适当的喷枪位置，通常使用两类模式：首先，使用气温流程虚拟技术，根据炉中温度分布情况找到最佳喷射点；其次，现场检测炉窑温度气温，归纳气温改变规律，明确喷射位置。

喷枪的选用是SNCR 系统的重要部分。通常使用双层多点均匀的模式，双层喷枪使用伸缩类喷枪。当窑炉的烟气温度改变时，要有选择地启动喷枪并自动调整喷氨量，以提升脱硝效率。

SNCR 脱硝系统是现有水泥窑普遍使用的技术，其优点是投资少，操作简单，技术成熟，但缺点也很明显，因使用了工业品氨水，带来的运行成本提高和环保、安全风险，另因反应效率不高会过量喷氨造成氨逃逸超标，形成二次污染。

3 国内外SCR 脱硝技术

欧美国家水泥窑炉SCR 脱硝的技术由来已久。德国Solnhofer 水泥厂在2001 年建立了全球第一部SCR 脱硝设备并投入生产。此厂SCR 系统设置在预热设备后，反应烟气温度是320～340℃，氨逃逸数据是小于1 mg/Nm3，脱硝效率大于90%。

在我国，水泥行业SCR 反应器的布置有四大模式——高温高尘布置模式、高温中尘布置模式、中温中尘布置模式与低温低尘布置模式。

高温高尘布置模式运用范围最广，一般把SCR 反应器布置在预热设备C1 和余热锅炉之间，端口烟气温度300～350℃，脱硝后烟气温度降低5～10℃，由高温风机引出到SP余热锅炉完成热交换。该温度区域的催化剂成熟可靠，也避免了高SO3生产线形成NHSO3对催化剂的堵塞,有助于提升反应的效率。但因烟气中粉尘含量高（100～120g/Nm3），对吹灰系统要求较高，容易对催化剂造成堵塞。

高温中尘布置模式是在高温高尘的基础上，将烟气通过高温电收尘器除尘后粉尘含量降到30g/Nm3以下再进入SCR反应器完成脱硝。此模式减少了烟气中的粉尘对催化剂的污染、磨损或堵塞，但存在占地面积大，系统阻力大，施工难度大，投资成本高，空间受限等问题。

中温中尘布置模式是将SCR 反应器布置在高温风机之后，粉尘30～50g/Nm3，温度在180～220℃。此温度区间，SO2与烟气中的NH3反应形成硫酸氢铵，粉尘相结合附着在催化剂表面，造成催化剂微孔堵塞中毒失活。因此SO2浓度需严控并需做在线升温（升温至350℃） 装置，定期对反应器内生成的硫酸氢铵进行在线热解析。此方案投资适中、施工难度小。但对预热器出口SO2浓度要求较高，脱硫剂用量较大。低温低尘布置模式因现有催化剂还不能在窑尾袋收尘后100℃的温度下起活，仍处在研究阶段，不具备工业使用的条件。

4 结语

综上所述，伴随我国环保超低排放政策逐步推进，脱硝形势极为严峻，针对水泥窑现有条件完成烟气脱硝改造迫在眉睫。需要将新技术与生产设施现状有效结合，尽量从降低氮氧化物本底值上下功夫，从来源与流程上控制NOx 浓度，再采取相应的有效措施，方能做到既满足氮氧化物超低排放标准又保证氨逃逸达标。