水泥行业现有环保治理工艺浅析

1前言

“十三五”是我国全面建设小康社会的决胜阶段，也是建材工业“创新提升、超越引领”战略实施的第二个五年规划，水泥市场需求和水泥工业发展环境都发生了质的改变。随着水泥工业大型化和集约化的发展，国家对水泥清洁生产的要求也越来越高，水泥行业对大气产生影响的主要污染物为粉尘和含有SO₂或NO_x的废气，SO₂排放量以大于5000t/d规模的生产线最高，占行业年排放均值的53%，其余规模生产线排放量各占10%左右；NO_x排放量以4000~4500t/d生产线最高，占行业年排放均值的21%。随生产线规模的增加，NO_x排放量逐渐减小。随着政府对生态环境保护的重视程度加深，火电、化工、钢铁等行业的大气污染物超低排放标准已经将颗粒物/SO₂/NO_x排放量控制在10/35/50 mg/m³，这也是近几年来水泥行业环保政策的发展趋势，因此，行业的发展和环保政策的变化对水泥行业污染治理的工艺也提出了更高的要求。

2水泥行业环保治理工艺

目前，水泥行业现有的环保治理工艺主要包括：1）除尘技术；2）脱硫技术；3）脱硝技术；4）脱白技术。除尘技术按捕集机理可以分为机械除尘，电除尘，过滤除尘和洗涤除尘等，脱硫则是指燃烧前脱去燃料中的硫分或者燃烧后脱去烟气中硫分，目前常用的有干法、半干法和湿法脱硫等技术，脱硝工艺技术要求相对较高，通常需要采用化学反应的方式除去烟气中的氮氧化物，而脱白则是脱去烟气中的有害气体和水蒸气组成的“白色烟羽”。

2011年，全国首个水泥生产线脱硝工程——中材湘潭水泥生产线脱硝工程投运并通过了环保验收，截至到2016年，全国已经有99%的水泥生产线完成了脱硝工程。我国水泥生产线现有的脱硝技术主要有以下几种：（一）低氮燃烧技术；（二）分级燃烧技术；（三）选择性非催化还原技术（SNCR）；（四）选择性催化还原技术（SCR）；（五）活性焦脱硝技术等。前两种燃烧技术效率较低只有10%~20%左右因此大都不再单独使用，目前我国水泥厂脱硝工程主要运用的是SNCR脱硝。

图1中材湘潭水泥脱硝项目

2.1选择性非催化还原技术(SNCR)

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)即选择性非催化还原法，是一种经济实用的NO_x脱除技术，该技术在1974年首先在日本投入使用，并逐步推广到美国和欧盟，此项技术原理是在无催化剂作用下，将还原剂在850~1100℃温度下喷入烟气，将烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水，用氨作为还原剂的SNCR称为DeNO_x法，尿素作为还原剂的称为NO_xOUT法。还原剂在此反应温度下停留时间越长，则脱硝效果越好，NO_x脱除率一般在50%~70%左右，具有系统简单、初期建设投资少、操作方便等优点。还原剂只是和NO_x发生反应而一般不会与氧反应，同时该技术不采用催化剂，因此被称为选择性非催化还原法，图2给出的是SNCR系统的工艺流程图。选择性非催化还原法在水泥行业中应用时目前逐渐暴露出以下问题：

1）NO_x难以实现超低排放；随着环保要求的不断提高，NO_x排放标准必然更加严格，水泥厂现有的SNCR系统几乎不可能适应更严的环保要求。

2）还原剂消耗量大，运行成本高；烟气中存在大量粉尘，同时反应具有非催化性，还原剂存在高温活性粉尘吸附和非有效解除NO_x的问题，造成还原剂消耗量大。

3）监测滞后时间长，系统调整不及时；SNCR系统的反应区位于预分解炉，而一般与其配套的CEMS系统在窑尾烟囱处，二者之间存在大约5分钟的延迟区间。

图2典型SNCR系统工艺流程图

2.2选择性催化还原技术(SCR)

SCR（Selective Catalytic Reduction）脱硝技术是采用氨（NH₃）作为还原剂，将原系统烟道合适区域的烟气引出至新建反应器，在反应器中设置催化剂，通过喷枪将氨与烟气充分均匀混合后进入反应器发生反应，在有氧环境下把NO_x还原成N₂和H₂O。在NH₃/NO_x的摩尔比为1:1时，SCR的脱硝效率很高一般可以达到90%以上，NH₃的逃逸量可以控制在5mg/Nm³以下。对于SCR而言要使反应高效稳定，保证反应器温度窗口尤为重要，目前电力行业使用的中温SCR脱硝催化剂的工作温度为300~400℃，在水泥行业难以直接使用中温SCR催化脱硝技术对NO_x排放进行控制，故低温脱硝较为常见。因为SNCR脱硝技术是利用原有设备作为反应器，而SCR脱硝需要新建反应器，将原烟气引入反应器，脱硝后再送回原烟道，但是催化剂大都价格昂贵，相对于SNCR来讲系统也较为复杂，因此在投资和运行成本方面，SCR都比SNCR要高出很多。

图3典型水泥窑SCR系统工艺流程图

决定SCR技术效能的主要因素在于催化剂和还原剂的选择。催化剂的性能直接关系整个系统的脱硝效果和总费用，SCR催化剂一般要求活性高、寿命长且经济性好同时不产生二次污染，必须具有合适的活性温度，不易中毒失效，并可再生。催化剂一般分为国外引进的采用二氧化钛为基体的碱金属催化剂和国内开发的金属复合氧化物催化剂，二者的性能比较如表1所示。在还原剂方面SCR主要采用的是氮系还原剂：尿素、氨水和液氨，三种还原剂性能比较见表2。

2.3活性焦脱硝技术

活性焦以煤为主要原料制成，是一种非常成熟的炭材料产品，与沥青基活性炭纤维或木质活性炭相比，活性焦的成本要低并且已经广泛应用于烟气净化领域。近年来，日本、德国、美国等以及我国的煤炭科学研究总院相继开发出了综合强度高、比表面积小的活性焦，活性焦是SO₂的优良吸附剂也是NH₃还原NO的优良催化剂，活性焦能在110~150℃时使NH₃和NO反应成N₂和H₂O，目前已经开发的脱硫脱硝催化剂及其使用如表3所示。

影响活性焦脱硝效率的主要因素有温度、氧含量和湿度，随着温度的升高，脱硝率呈现下降的趋势，随着含氧量的升高，则脱硝性能越好，而在湿度考察范围内，活性焦脱硝率则与水含量成反比关系，水含量越高则活性焦脱硝率越低，图4给出的是活性焦脱硝率分别与温度、氧含量和湿度的关系。因为活性焦同时具有脱硫和脱硝的作用，因此通常称为活性焦联合脱硫脱硝工艺。

3结论

我国各地水泥企业生产状况以及当地的环保要求各不相同，因此对于某个具体的工程需要采用何种脱硝工艺，必须因地制宜，从投资、运行、技术等方面进行一个综合的权衡，在选取脱硝工艺过程中，应当尽可能采用技术先进、运行可靠的工艺，要满足当地环保相关标准，同时尽可能节省建设投资和维护成本，此外随着国家和各地方对于水泥行业脱硝排放标准的日趋严格，应该未雨绸缪，选择能够做到50 mg/Nm³甚至更低的，超净排放先进脱硝工艺，例如苏州仕净环保科技股份有限公司的LCR工艺，关于LCR工艺相对现有工艺的优势，我们下期介绍。