空气分级+SNCR联合脱硝工艺可望成为主流

　　目前，我国拥有水泥企业近3000 家，产量已连续多年位居世界首位。2012 年我国水泥总产量已突破20亿吨，其中，新型干法水泥比重达到85%。来自国家发改委的数据显示，截至2012 年年底，采用国内技术和装备建设的新型干法水泥生产线已达1400 多条，日产4000 吨、5000 吨水泥生产线占70%左右，总计1000多条生产线。

　　“十二五”时期，水泥行业是NOx减排的重点行业。2012年《水泥工业“十二五”发展规划》指出，到2015年末，NOx排放总量降低10%，新建生产线必须配套建设效率不低于60%的烟气脱硝装置，二氧化硫排放总量降低8%等目标。

　　为了配合国家降低水泥行业NOx排放总量的要求，部分省市出台了水泥氮氧化物排放标准和降低NOx排放的技术路径。既要满足新的NOx排放标准，又要降低后期运行成本，选择高效经济的脱硝方法对于水泥行业变得尤其重要。

　　主要脱硝技术介绍

　　目前适用于水泥窑的脱硝技术主要应用于两个方向：一个是减少水泥窑燃烧时NOx的生成—低氮燃烧技术，主要有：低空气过量系数改造、窑头燃烧器改造、空气分级燃烧技术和燃料分级技术；另一个是对水泥窑里生成的NOx进行脱除，主要有：选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术。

　　1.低空气过量系数改造

　　使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行。随着烟气中过量氧的减少，可以抑制NOx 的生成。这是一种最简单的降低NOx排放的方法，NOx减排效率在10%左右。但如炉内氧浓度过低，会造成浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。针对水泥窑头燃烧的情况，此技术关键点在于优化煤粉输送用风量和控制二次风量，控制空气过量系数在6%及以下。该技术所受影响因素较多，是系统的改造工程，需同时对煤管和二次风风量进行检测和分析，并对窑头诸多因素予以考虑，实施难度大。

　　2.低氮燃烧器

　　燃烧器是水泥窑燃烧系统中的关键设备。不但煤粉是通过燃烧器送入窑内，而且煤粉燃烧所需的空气也是通过燃烧器进入窑内的。从燃烧的角度看，燃烧器的性能对煤粉燃烧设备的可靠性和经济性起着主要作用。从NOx的生成机理看，占NOx绝大部分的燃料型NOx是在煤粉的着火阶段生成的，因此，通过特殊设计的燃烧器结构以及通过改变燃烧器的风煤比例，应用空气分级、燃料分级脱硝技术原理，以尽可能地降低着火氧的浓度适当稳定着火区的温度，达到最大限度地抑制NOx生成的目的。低氮燃烧器的关键控制点为低空气过量系数，控制局部高温和减少空气在高温区的停留时间，最大限度减少热力型NOx生成。

　　3.空气分级燃烧技术

　　空气分级燃烧的基本原理是将燃烧所需的空气（三次风）分成两部分送入，一部分送入第一级燃烧区内（分解炉锥部），使过剩空气系数α在0.8左右，燃料先在缺氧富燃料的条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，燃烧生成的CO与NO进行还原反应。另一部分空气输入燃烧区内（分解炉中部），保证燃烧的完全燃烧。

　　空气分级技术在原未采用该技术的分解炉上可根据实际情况进行后期设计和改造，其改造成本低，施工难度小，对原有的燃烧制度影响小，能较快地建立新的燃烧制度。在分解炉低氮改造上是较成熟和完备的燃烧技术。

　　4.燃料分级技术

　　燃料分级原理是将在燃烧中生成的NO 与烃根CH、未完全燃烧产物CO、H₂、C 以及CnHm发生还原反应，生成无污染的气体。

　　利用这一原理，将80%~85%的燃料送入第一级燃烧区，在α>1 条件下，燃烧并生成NOx。其余15%~20%的燃料则在分解炉上部送入二级燃烧区，在α<1 的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的NOx在二级燃烧区内被还原成氮分子。在二级燃烧区中不仅使得已生成的NOx得到还原，还抑制了新的NOx的生成，可使NOx 的排放浓度进一步降低。在二级燃烧区的上面还需布置“燃尽风”喷口，以保证上面生成的未完全燃烧产物的燃尽。这种再燃烧法称为燃料分级燃烧。

　　根据火电锅炉氮氧化物燃烧控制技术，水泥窑分解炉燃料分级燃烧具有一定脱硝效果，暂未有水泥工业上的较成功应用实例，且需对分解炉做加大规模的改造，效果较难控制。

　　5. 选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术

　　选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术是在无催化剂存在条件下向炉内喷入还原剂氨或尿素，将NOx 还原为N2 和H₂O。还原剂喷入水泥窑分解炉（850℃～1150℃），在NH₃/NOx摩尔比0.8～1.5情况下，脱硝效率30%～60%。在850℃左右温度范围内，反应式为：

　　4NH₃+4NO＋O₂→4N₂+6H₂O

　　当温度过高时，会发生如下的副反应，又会生成NO：

　　4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O

　　当温度过低时，又会减慢反应速度，所以温度的控制是至关重要的。

　　该工艺不需催化剂，但脱硝效率不高，高温喷射对窑炉受热面安全有一定影响。存在的问题是由于温度随窑炉负荷和运行周期而变化及窑炉中NOx 浓度的不规则性，使该工艺应用时变得较复杂。

　　组合脱硝技术

　　现在水泥行业最主流的烟气脱硝技术是选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术，但是其后期的运行成本比较高，一般2500吨新型干法熟料生产线吨熟料运行成本在2.5元~4元。由于近期水泥市场不景气，所以，运行脱硝设备对于水泥厂来说，无形的增加了他们的压力，因此，控制水泥回转窑中氮氧化物的生成，降低后期SNCR的运行成本，成为现在所有水泥厂希望采用的联合脱硝技术——低氮燃烧+SNCR。

　　通过以上对各种控制水泥回转窑中氮氧化物技术的比较（见表），空气分级燃烧技术具有改造简单、对原燃烧制度影响小，理论NOx减排效率较稳定的优点。所以，最适合水泥厂运用的组合脱硝技术是空气分级+SNCR技术。

　　目前，一条4000t/d熟料新型干法生产线上一套SNCR成本需要300万元，一套空气分级系统需要50万元，氨水到厂家1000元/吨来计算，运行组合脱硝系统只需要大概半年多的时间，就可以抵消掉上一套空气分级系统的成本。由此可见，这种组合脱硝工艺对于水泥企业来说，是一种最佳的选择。

　　运用实例

　　以一家日产4000吨熟料新型干法生产线为例，采用了空气分级燃烧+SNCR联合脱硝技术，将原来的NOx 浓度从790mg/Nm³降低到300mg/Nm³。一年减少NOx 排放总量达到1000多吨，不仅满足了国家新的排放标准，又产生了很好的社会效益，为其他水泥企业指明了联合脱硝的方向。

　　1.工艺设计

　　（1）空气分级

　　按4000t/d烧成系统热平衡计算，三次风管（按内径2.5m计算）风速为23.5m/s，分解炉内风速5.75m/s，如三次风管锥体进入气体过剩空气系数按0.8计算，分级燃烧风管直径可选择1.8m，这时分级燃烧风管风速为17m/s，脱氮风管进口需设置在分解炉37.8m平台上部2.6m位置，进入即可。

　　（2）SNCR

　　SNCR烟气脱硝系统工艺系统包括还原剂存储系统、循环模块、稀释计量模块、分配模块、喷射系统、控制系统、电气系统等组成。

　　本项目的还原剂采用氨水（10~20%），氨水采用罐车厂区内输送到储罐。储罐设有液位、温度、压力等显示和信号检测仪表，用于判定和系统报警。储罐采用一用一备设置方式；储罐出口通过软连接连接到高倍流量循环（HFD）模块，该模块内设置的离心泵（一用一备）为脱硝系统还原剂提供输送动力，该模块内设置电动开关阀和温度、压力、流量检测仪表，实现自动控制和检测；经HFD模块加压后的还原剂进入稀释计量模块，根据工艺需要进行稀释，并通过计量仪表完成还原剂用量的计量，该模块内配置稀释水泵和流量调节阀门。经过计量和稀释的还原剂被管道输送到分配模块，经过分配模块将还原剂分配到每只喷枪。压缩空气通过主管气源连接到压缩空气储罐，经分配模块调压后通过盘管向每只喷枪供应压缩空气。以上主要控制可通过中控控制界面控制实现。

　　2.运行效果及成本分析

　　在本项目中，设计了两套方案：方案一，空气分级和SNCR全开，使空气分级的效率调整到最高，并控制总的脱硝效率（60%）的状态下，在稳定运行48小时后，记录氨水（20%）单位时间内的消耗量；方案二，关闭空气分级调风阀，只运行SNCR，在达到同样脱硝效率的状态下，在稳定运行48小时后，记录氨水（20%）单位时间内的消耗量。

　　结论

　　通过对目前适用于水泥窑上的各种降低NOx技术的描述和对比，选择了一种适用于水泥窑的组合脱硝工艺，并以一个具体水泥窑项目进行设计，对运行效果及成本进行分析，得出空气分级+SNCR这种联合脱硝的工艺是今后水泥脱硝的主流。