長三角地區(qū)水泥行業(yè)氮氧化物超低排放治理實例研究

王永峰

(無錫市智慧環(huán)保技術監(jiān)測研究院有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 引言

水泥作為基礎建設材料，在國民經(jīng)濟發(fā)展和城市、新農(nóng)村基礎建設活動中扮演著重要的角色。水泥制造過程產(chǎn)生的NOx對大氣環(huán)境造成嚴重污染，水泥行業(yè)亦被列入大氣污染防治重點管控行業(yè)。相關數(shù)據(jù)顯示，我國2019年水泥產(chǎn)量約23.3億噸，約396.1萬噸NOx排入大氣中，水泥行業(yè)已然成為可持續(xù)發(fā)展中大氣污染貢獻大戶[1]。目前水泥行業(yè)脫硝技術主要有窯頭低氮燃燒器、分級燃燒、選擇性催化還原(SCR)和非選擇性催化還原(SNCR)。低氮燃燒器無相關建設費用，運行維護成本低，但脫硝效率低且不穩(wěn)定；分級燃燒投資較小，占地空間小，流程簡單，運行維護成本低，但需停窯后安裝且時間相對較長，脫硝效率易受煅燒系統(tǒng)工況影響；SCR脫硝效率最高，氨的逃逸量較低，但投資運行成本較高，系統(tǒng)催化劑易堵塞失效，此法在國內水泥行業(yè)應用實例較少；SNCR投資較小，技術成熟，脫硝效率高且易穩(wěn)定控制，技術性價比較高，但使用氨水過程需采取安全防護措施，運行維護成本較高，增加一定熟料熱耗[2]。其中SNCR相較于其他三種處理技術更具優(yōu)勢，被廣泛用于水泥行業(yè)NOx處理。

近年來，國內部分省市相繼制定了嚴于國家標準的地標，例如河南省NOx排放限值≤150mg/m3，長三角各省市NOx排放限值≤100mg/m3，河北省要求超低排放改造項目NOx排放≤50mg/m3。隨著環(huán)境治理的不斷深入，NOx排放管控持續(xù)加嚴，SNCR技術已漸漸顯現(xiàn)其局限性，為滿足各類政策要求，大部分企業(yè)通過增加氨水的噴入量來實現(xiàn)NOx的環(huán)保達標排放，增加水泥生產(chǎn)成本的同時造成氨氣逃逸，形成二次污染。因此新型NOx治理技術的研究已成為水泥行業(yè)發(fā)展的關鍵。田力柱等[3]采用“SNCR+分級燃燒”復合脫硝處理技術，實現(xiàn)了氮氧化物濃度有效降低和氨水的用量減少；苑明華等[4]在SNCR基礎上，結合獨有的"PID+趨勢"控制方法將窯尾系統(tǒng)的NOx排放濃度控制在100mg/m3以下；呂鵬等[5]采用新型飽和蒸汽低氨燃燒脫硝技術對SNCR進行技術改造，改造效果顯著。

本文以長三角地區(qū)某水泥行業(yè)企業(yè)脫硝工程為例，該企業(yè)擁有一條2000t/d的新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，具有生產(chǎn)熟料62萬噸/年、水泥80萬噸/年的生產(chǎn)能力。SNCR脫硝NOx考核≤100mg/Nm3，20%氨水用量在4.5kg/噸熟料左右，造成熟料成本增加。氨水中80%水在窯爐蒸發(fā)造成熟料生產(chǎn)煤耗增大，對后續(xù)生產(chǎn)設備、設施產(chǎn)生腐蝕，布袋除塵器阻力增大增加電耗。氨水消耗量增大，造成分解爐副筒結皮嚴重，大塊結皮易造成下料管堵塞，NOx還原效率控制困難，經(jīng)常出現(xiàn)小時超標情況。過量未反應的氨水隨尾氣排放，當生料粉磨系統(tǒng)運轉不周時，氨逃逸現(xiàn)象尤為嚴重。企業(yè)綜合考慮現(xiàn)有SNCR存在的問題以及行業(yè)NOx排放標準日益嚴格的趨勢，采用飽和蒸汽低氨脫硝技術處理NOx后達標排放。

2 廢氣處理要求及工藝

2.1 廢氣處理要求

處理后NOx排放限值≤100mg/m3。

2.2 設計工藝流程

該企業(yè)采用的飽和蒸汽低氨脫硝技術的主要原理是在SNCR脫硝技術基礎上，通過構建還原劑產(chǎn)生區(qū)，對水泥窯爐系統(tǒng)、預熱系統(tǒng)、煤粉燃燒系統(tǒng)、三次風管、C4下料管、C4和C5上升煙道撒料盒及煙氣脫硝系統(tǒng)進行整改優(yōu)化，實現(xiàn)NOx高效還原和氨水用量的削減。

(1)NOx還原區(qū)原理。飽和蒸汽和煤粉一起噴入還原劑產(chǎn)生區(qū)，飽和蒸汽侵入灼熱碳晶體結構矩陣，在水泥熱生料調節(jié)還原區(qū)溫度和催化的作用下，C與水蒸氣反應生成CO+H2及C(O)+·OH，隨后C(O)分解生成CO和·OH，煤揮發(fā)分高溫下析出CH4、HCN等，CO、CH4、H2、HCN等還原劑與NOx反應生成N2[5]。此外，少量的固定碳在缺氧條件下與NO反應生成N2，抑制自身燃料型NOx的產(chǎn)生，可減少60%～100%的氨水用量[6]。

(2)改造要點。貧氧燃燒器采用四角切圓的方式將飽和蒸汽與煤粉噴入還原劑產(chǎn)生區(qū)，充分延長還原時間，使窯內NOx得到有效還原；三次風管上移至適合的高度，足夠的距離有利于還原區(qū)的形成，確保NOx被還原的時間，使NOx快速還原生成N2；對C4A、C4B粉料管進行改造，有利于將還原區(qū)溫度控制在1100℃以內，確保錐體不結皮，熱生料分解產(chǎn)生的CaO可催化還原窯爐內NOx；對煙室縮口進行優(yōu)化改造，增加窯內通風面積，提高水泥窯產(chǎn)量[7]。

(3)技術優(yōu)勢。提高窯內熱力型NOx還原率的同時，抑制燃料型NOx的生成，從源頭有效降低NOx的產(chǎn)生；對SNCR運行無負面影響，減少氨水消耗，降低運行成本，降低熱耗，減少對后續(xù)余熱發(fā)電系統(tǒng)、生料制備系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)設備的腐蝕，降低了除塵器糊袋概率，減少氨逃逸；對熟料生產(chǎn)線運行無負面影響，工況系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)品質量正常，提高水泥窯產(chǎn)量；分解爐錐體副筒錐體不結皮，下料管保持通暢，NOx還原效率穩(wěn)定。

3 工程運行分析

3.1 運行效果分析

分別對技改前和技改后窯尾NOx濃度進行檢測，檢測結果分別如表1和表2所示。由檢測結果可知，實施飽和蒸汽低氨脫硝改造后，窯尾NOx排放濃度由原200mg/m3左右降低至100mg/m3左右，NOx排放濃度平均降低64.6%，脫硝效率得到進一步提升，可實現(xiàn)窯尾總NOx超低濃度排放。

表1 技改前窯尾NOx在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2 技改后窯尾NOx監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 經(jīng)濟效益分析

(1)節(jié)約氨水用量

SNCR脫硝系統(tǒng)主要用20%濃度的氨水作為還原劑，氨水采購價格約630元/t。技改前氨水年消耗量為2089t，技改后年均消耗氨水510t，年均節(jié)約氨水1579t，節(jié)約氨水成本99.48萬元。

(2)節(jié)煤效益

在890℃～900℃分解爐出口，氨水中80%的水分被汽化，1kg水氣化需要吸收熱量2258.77kJ，約0.1825kg標準煤。技改后，該企業(yè)年均節(jié)約氨水1339t，相應節(jié)約標準煤195.5t，年節(jié)約費用19.16萬元。

綜上，實施飽和蒸汽低氨脫硝改造后，該企業(yè)可年均減少氨水用量1579t，節(jié)約標準煤195.5t，共計節(jié)約成本約118.64萬元/年。

4 結論

為有效提高NOx去除效率，節(jié)約運行成本，該企業(yè)在原SNCR脫硝技術基礎上，通過構建還原劑生產(chǎn)區(qū)，對水泥窯爐系統(tǒng)、預熱系統(tǒng)、煤粉燃燒系統(tǒng)、三次風管、C4下料管、C4和C5上升煙道撒料盒及煙氣脫硝系統(tǒng)進行整改優(yōu)化，采用蒸汽低氨脫硝技術處理NOx。結果表明，采用上述工藝既能促進NOx還原、從源頭有效降低NOx的產(chǎn)生，又能減少氨水用量，降低成本。工程實例證明，該處理技術可實現(xiàn)NOx超低排放，節(jié)約運行成本。