水泥窑炉空气分级燃烧及SNCR烟气脱硝技术

　　近年来，水泥工业随着现代城市建设的需要而得到了快速的发展，但是水泥生产过程中产生的废气对环境的污染也在不断加剧，特别是废气中的NOx对大气环境的影响已非常严重。由此，本文从以下几个方面系统介绍了我公司治理水泥窑炉烟气中NOx的烟气脱硝技术，希望能对水泥窑炉NOx治理起到一定的借鉴作用。

　　1 水泥窑炉NOx产生机理

　　在新型干法水泥生产工艺中，回转窑和分解炉是水泥物料烧成的两个关键设备。然而，回转窑和分解炉也是NOx生成的主要来源。

　　在水泥熟料生产过程中，大约有40%左右的煤粉从回转窑窑头的多通道燃烧器喷入窑内，并进行高温燃烧，为煅烧物料的熔融和矿物重结晶提供足够的温度，但物料温度必须超过1400℃时才会发生物料熔融和矿物重结晶现象，因此通常需要将窑头燃烧器形成的火焰温度控制在1800～2200℃之间，然而这样在回转窑内就会生成热力型NOx和燃料型NOx，且均有较多的形成比例，其中尤以热力NOx为主。同时，大约60%左右的煤粉进入分解炉，炉内的温度一般在850～1100℃范围内，在此温度下，基本可以不考虑热力型NOx的形成，主要是燃料型NOx。

　　由此，本文系统介绍了我公司治理水泥窑炉烟气中NOx的空气分级燃烧及SNCR脱硝技术，希望能对水泥窑炉NOx治理起到一定帮助。

　　2 水泥窑炉空气分级燃烧技术

　　2.1 基本原理

　　水泥窑炉空气分级燃烧是目前最为普遍的降低NOx排放的燃烧技术之一。其基本原理如图（一）所示：将燃烧所需的空气量分成两级送入，使第一级燃烧区内过量空气系数小于1，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，从而降低了热力型NOx的生成。同时，燃烧生成的CO与NOx发生还原反应，以及燃料氮分解成中间产物（如NH、CN、HCN和NHx等）相互作用或NOx还原分解，从而抑制了燃料型NOx的生成，具体反应如下：

　　2CO + 2NO → 2CO₂ + N₂     （1）

　　NH + NH → N₂ + H₂              （2）

　　NH + NO → N + OH               （3）

　　在二级燃烧区（燃尽区内，将燃烧用空气的剩余部分以二次空气的形式输入，成为富氧燃烧区。此时，空气量增多，一些产物被氧化生成NOx，但因温度相对常规燃烧较低，因而总的NOx生成量不高，具体反应如下：

　　CN + O → CO + NO        （4）

　　2.2 改造方案及效果

图1  水泥窑炉空气分级燃烧技术示意图

　　如图1所示，保持原分解炉主体结构不变，在分解炉烟室预留的脱硝还原区设置高速喷煤嘴，让喷入的煤粉在此区域内缺氧燃烧，产生适量的还原气氛，与窑气中的NOx发生反应，将NOx转化为无污染的N₂。同时将三次风管入分解炉的部分管道抬高到相应位置。整个窑尾用煤总量与改造前保持一致，只是进入分解炉及还原区的用煤量不同。

　　水泥窑炉经过空气分级燃烧技术改造后，其脱硝效率一般可达20%左右。

　　3 水泥窑炉SNCR烟气脱硝技术

　　3.1 基本原理

　　SNCR脱硝技术即选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction，以下简写为SNCR）技术，是一种不用催化剂，在850～1100℃的温度范围内，将含氨基的还原剂（如氨水，尿素溶液等）喷入炉内，将烟气中的NOx还原脱除，生成氮气和水的清洁脱硝技术。

　　在合适的温度区域，且氨水作为还原剂时，其反应方程式为：

　　4NH₃ + 4NO + O2→4N₂ + 6H₂O    （1）

　　然而，当温度过高时，也会发生如下副反应：

　　4NH₃ + 5O₂→4NO + 6H₂O        （2）

　　3.2 SNCR脱硝还原剂的选择

　　目前，SNCR脱硝工艺最常用的还原剂有氨水和尿素两种。然而，在SNCR脱硝系统中，还原剂是最大的消耗品，脱硝还原剂的选择是整个脱硝工艺中很重要的一个环节。

　　（1）氨水和尿素的特性对比

　　氨水的特性：氨水与无水氨都属于危险化学品。作为脱硝原剂时，通常采用20%～25%浓度的氨水。无色透明液体，易分解放出氨气，温度越高，分解速度越快。如果溢出，氨水液体扩散范围较无水氨小，浓度范围较易控制，较无水氨相对安全。

　　尿素的特性：尿素是白色或浅黄色的结晶体，易溶于水。不同浓度的尿素水溶液有不同的结晶温度。与无水氨及氨水相比，尿素是无毒、无害的化学品，是农业常用的肥料，无爆炸可能，完全没有危险。

　　（2）占地面积对比

　　氨水作为还原剂时，仅需考虑氨水储罐的位置，占地面积较小。而尿素作为还原剂时，需要设计专门的尿素溶液制备系统，占地面积较大。

　　（3）工艺系统对比

　　尿素需要经过溶解制成50%以下的尿素溶液，需要蒸汽加热，且存在结晶等问题。而氨水作为还原剂时，不存在结晶问题，其工艺系统最简单、最可靠。

　　（4）还原剂利用率对比

　　由于水泥窑分解炉内温度正常为850～950℃之间，当氨水作为还原剂喷入分解炉时，水分迅速蒸发为气态而散失在烟气中，氨则有选择性地与烟气中的NOx反应，从而脱除NOx；而尿素溶液作为还原剂喷入分解炉时，水分也迅速蒸发，但尿素粒子并不能立即与烟气中的NOx反应，还需要在高温状态下进行分解，生成NH₃后，再与烟气中的NOx反应。

　　因此，综合以上分析，笔者认为氨水作为还原剂比较可靠！

　　3.3 SNCR脱硝工艺流程

图2  典型水泥窑炉SNCR工艺流程图

　　如图2所示，水泥窑炉SNCR烟气脱硝工艺系统主要包括还原剂储存系统、循环输送模块、稀释计量模块、分配模块、背压模块、还原剂喷射系统和相关的仪表控制系统等。

　　3.4 脱硝效果

　　在SNCR脱硝系统中，还原剂喷入水泥窑分解炉内合适的温度区间，在NH₃/NOx摩尔比为1.0～1.8情况下，脱硝效率可达30％～60％左右，氨逃逸≤10ppm。

　　4 结论与展望

　　通过以上两种脱硝技术的介绍和分析，笔者建议：在水泥窑炉烟气中NOx初始浓度不高或环保排放标准要求不高时，采用几乎没有运行成本的空气分级燃烧脱硝技术比较经济；而在NOx初始浓度较高或环保排放标准苛刻时，同时使用空气分级燃烧和SNCR脱硝相结合脱硝技术，可以最终实现高脱硝效率和低运行成本的两重目标。