劉文明
(中材安徽水泥有限公司, 安徽 巢湖 238000)
眾所周知,水泥廠每年的氮氧化物排放量十分巨大,是造成大氣污染的主要原因。隨著我國環(huán)保事業(yè)的不斷發(fā)展,國家和政府對于水泥廠的建設(shè)和生產(chǎn)提出了更高的要求。
整體而言,根據(jù)水泥廠產(chǎn)生氮氧化物的原因,可以將具體的脫硝技術(shù)分為兩大類:第一類是從根源進行治理,也就是減少煅燒中產(chǎn)生的氮氧化物。比如采取含量較低的氮燃燒器,或者是在分解爐中進行分段地燃燒,保證燃燒溫度符合生產(chǎn)要求,也可以更改配料的方案,使用一些礦化劑,降低燃燒的溫度。第二類是從末端進行治理,也就是減少煙氣中排放的氮氧化物。比如選擇性非催化還原法,或者是分級燃燒和選擇性非催化還原結(jié)合法,也可以是選擇性催化還原法,或者是選擇性催化還原法和非催化還原法相結(jié)合,還有一種是生物脫硝法。
這種脫硝方法,簡稱為SNCR,能夠達到60%左右的脫硝效率,也就是說在普通的條件下,如果溫度較高,并且不添加任何的催化劑,那么煙道中的氨自由基就會與一氧化氮和二氧化氮等氣體發(fā)生反應(yīng),之后產(chǎn)生大量的熱,需要注意的是,煙氣中含有大量的氧,這是反應(yīng)中必不可少的物質(zhì)。在具體的操作中,將濃度為30%的氨水或者是濃度更高的尿素溶液,通過噴霧裝置,直接噴入分解爐中,這樣在溫度適宜的區(qū)域,霧化狀態(tài)的氨就會與一氧化氮與二氧化氮等混合氣體發(fā)生化學反應(yīng),這種反應(yīng)是選擇性非催化還原反應(yīng),能夠直接將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮氣,而且氮氣無毒無害,同時不會造成污染。如果反應(yīng)的溫度低于適宜的溫度,反應(yīng)的效率會大大降低,但是如果溫度高于適宜的溫度,那么霧化的氨直接會變成氮氣和一氧化氮,這樣就不會發(fā)生其他反應(yīng),導(dǎo)致脫硝失敗,反而加大了污染。一般而言,霧化氨反應(yīng)的適宜溫度在900 ~1000℃之間。下面是選擇性非催化還原法的反應(yīng)方程式:4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
目前選擇性非催化還原法的設(shè)備相對比較簡單,并且投資比較少,得到了廣泛的應(yīng)用,水泥廠脫硝工藝流程如圖1 所示。
這種脫硝技術(shù)簡稱SCR,是通過垂直的催化劑反應(yīng)塔,加上無水氨,之后從燃燒裝置和煙氣中發(fā)生脫硝反應(yīng),除去氮氧化物。這種技術(shù)將氨作為反應(yīng)劑,并且和煙氣充分進行混合,之后一起經(jīng)過催化劑層,發(fā)生一系列的反應(yīng)。需要說明的是,在催化劑層中,氨可以將氮氧化物分解為水和氮氣,而且煙氣中的氧并不會與氨發(fā)生反應(yīng),不會產(chǎn)生很多熱量,所以這種技術(shù)的脫硝效果極高,可以達到80%以上,而且氨的逃逸率極低,設(shè)備運轉(zhuǎn)效果也很好,可以做到零污染[1]。具體的反應(yīng)方程式為:8NH3+6NO2→7N2+12H2O
圖 1 某水泥廠選擇性非催化還原法脫硝工藝流程圖
但是選擇性催化還原法的投資較大,并且設(shè)備比較復(fù)雜,運行和維護費用也比較昂貴,加上并不十分成熟,沒有得到廣泛的推廣和應(yīng)用。
雖然大多數(shù)脫硝技術(shù)和工藝都能夠達到50%以上的脫硝效率,但是無效率的區(qū)域還是比較明顯,并且隨著我國環(huán)保事業(yè)的不斷進行,氮氧化物的排放標準一定會越來越嚴格,那么這種脫硝效率肯定無法滿足社會的需求,并且會被社會淘汰,如果進行改革,一定首當其沖。
眾所周知,將氨水噴灑到分解爐中,雖然能夠充分反應(yīng),但是由于煙氣中有很多雜質(zhì)以及延緩反應(yīng)的成分,所以氨水容易被一些粉塵吸附,或者是沒有充分地接觸到氮氧化物,這就使得理論值與實際噴灑量出現(xiàn)偏差。通常使用的氨水超出理論值的2 倍以上,這也就說明,有一半多的氨水沒有發(fā)生反應(yīng),也沒有得到有效的利用,這也就加大了脫硝的投入和成本。舉個簡單的例子,拿3000t/d 的水泥生產(chǎn)線為例,氨水消耗量理論值為每小時300 千克,但是實際卻使用了600 千克,如果按年計算,每年將白白浪費200 萬元。
不需要催化劑的脫硝技術(shù),主要是利用溫度發(fā)生反應(yīng),達到脫硝的目的,這也就說明反應(yīng)的區(qū)域必須是高溫區(qū),那么氨水就會在霧化的過程中發(fā)生逃逸。這種現(xiàn)象不容忽視,因為氨本身具有一定的刺激性氣味,達到一定濃度后,將會刺激人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng),讓人產(chǎn)生不良反應(yīng),與此同時,氨也極易溶于水,之后與氮氧化物發(fā)生反應(yīng),形成硝酸銨等物質(zhì),這也就導(dǎo)致了霧霾的發(fā)生[2]。
通常情況下,水泥廠脫硝技術(shù)的還原劑主要是氨水,并且得到了各大水泥廠的普遍認可,已近成為了市場上最常用的還原劑。但是氨水的性質(zhì)很不穩(wěn)定,如果溫度升高,就會分解,從而產(chǎn)生氨氣,這就在周圍埋下了一定的安全隱患。如果天氣炎熱,很可能發(fā)生爆炸,或者是容器的壓力過大,也會產(chǎn)生開裂,另外,氨的泄露對于人體的危害也是極其明顯的,所以必須做好安全防護工作。
氨水的化學名稱叫做氫氧化銨,是氨氣溶于水后形成的溶液,為無色透明的液體,但是其具有特殊的氣味,并且極易揮發(fā),整體呈弱堿性。氨水與氨氣的性質(zhì)一樣,都有腐蝕性,并且能夠使人窒息。一般情況下,氨水沒有危險,并且不會燃燒,從氨水中揮發(fā)的氨氣才是有毒氣體,可以爆炸和燃燒,并傷害人體的皮膚[3]。
圖 2 某水泥廠脫硝技術(shù)安全防護情況
所以針對氨水的特點,需要采取必要和行之有效的預(yù)防措施。尤其是要預(yù)防爆炸,消除點火源,提高風險評估,制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。比如設(shè)置安全指示標語,公布使用須知,尤其是在儲存區(qū)域要張貼明顯的安全警示標語,并且安裝避雷裝置,同時卸料區(qū)還有預(yù)防靜電,周圍還需要建立水池以及沖洗裝置,當發(fā)生泄漏時,能夠及時沖洗,減少損傷。需要注意的是,水泥廠領(lǐng)導(dǎo)要組織和安全員工定期進行培訓(xùn),加強安全防護工作的宣傳,提高員工的安全意識,并且組織一些演習活動,不斷優(yōu)化管理制度,保證管理工作科學有效進行,典型的安全防護情況如圖2 所示。
綜上所述,水泥廠采用脫硝技術(shù)已經(jīng)是大勢所趨,隨著生產(chǎn)線上的脫硝設(shè)施也日益完善,尤其是配備了相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)和高效質(zhì)量設(shè)備,顯著地提高了水泥廠的脫硝效果,相信不遠的將來,氮氧化物的排放量一定會大幅度地下降,我國的空氣質(zhì)量將會明顯提升。