新型干法水泥窯氮氧化物治理及控制技術
摘 要：本文在分析我國水泥窯氮氧化物的來源及排放量的基礎上，對現行的環保標準進行對比評析，提出了采用SNCR法和SCR法脫硝技術的治理原理及工藝方法。
關鍵詞：水泥窯；煙氣；氮氧化物控制；
1 水泥窯煙氣特性
2007年，我國水泥總產量為13.6億噸，排放氮氧化物157萬噸，占全國工業排放總量的15%，已是居火力發電、汽車尾氣之后的第三大氮氧化物排放大戶。回轉窯是新型干法水泥物料燒成的關鍵技術裝備，也是NOx的主要來源。煅燒水泥熟料時生成一氧化氮NO的途徑主要有四種[1]，即第一種熱力NOx，它是燃料在水泥窯頭1400℃以上燃燒時會產生大量NOx；第二種瞬發NOx，它是有碳氫根存在時，于火焰前端瞬發形成的NOx，一般這種瞬發NO生成量的比例很小；第三種燃料NO，它是由燃料中所含的化學接合氮所產生的。例如煤中約含有0.5％～2％的氮(按質量計)。因為燃料中氮原子的接合能較小，所以在水泥窯系統相對較低溫的分解爐內產生的燃料NOx較多；第四種生料NOx，它是由窯喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx，例如NH4等。在窯廢氣中NO2一般僅占NO+NO2總量的5％以下，NO則占總量的95％以上。
在我國新型干法水泥回轉窯上常用的NOx控制技術主要有以下幾種：一是優化窯和分解爐的燃燒制度；二是改變配料方案，摻用礦化劑以求降低熟料燒成溫度和時間，改進熟料易燒性；三是采用低NOx的燃燒器；四是在窯尾分解爐和管道中的階段燃燒技術。然而，即使把上述四種措施全部采用起來，事實上水泥窯的NOx 排放也很難達到400mg／Nm3以下。采用選擇性非催化還原（SNCR）脫硝法或選擇性催化還原（SCR）脫硝法進一步降低NOx排放的措施是一個非常有效的降低NOx排放的途徑。
2 水泥工業NOx 的排放標準
水泥工業NOx的排放標準、實際排放數量國內和國外的標準、法規對水泥工業NOx 排放的限定指標見表1[2] 。表中1mg/ Nm3 ≈1.8cm3/Nm3 。德國近30年的監測結果顯示,回轉窯廢氣中NOx排放濃度大約在300～2200mg/ Nm3。國內運行的新型干法水泥窯NOx排放濃度尚缺乏系統的統計數據，根據一些不完全的監測數據顯示，大約在800～1600mg/Nm3 左右，達不到國家標GB4915-2004和歐盟標準2000/76/EC規定的要求。
表1 國內和國外的標準、法規對排放的限定指標
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3 選擇性非催化還原（SNCR）脫硝法
3.1 SNCR 降低NOx原理[3]
在分解爐的中下部(約950℃) 加入還原劑尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH) ,在有部分氧存在的條件下,發生以下反應過程。
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SNCR的反應機理非常復雜，目前仍未能完全了解，多數學者認為NHx基還原劑按圖1 所示的途徑反應：
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3.2 工藝流程（圖2）
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在分解爐的中下部噴入氨水或尿素等容液，使之與煙氣中的NOx化合，并將其還原成氮氣和水。這樣就可較大幅度地削減NOx的排放，削減效果達30％～85％，NO2排放濃度可降到200～400mg／Nm3。氨水儲存罐的氨水經過過濾器后，通過氨水添加泵送入分解爐，出添加泵的溶液經過濾后進入流量調節閥和流量計，經計量的溶液進入噴嘴，在噴嘴內與壓縮空氣混合，霧化后噴入分解爐內。噴嘴位置在分解爐中部(位置見圖2) ，有多個噴嘴。其關鍵技術是噴嘴位置的確定，確定噴嘴位置主要考慮設備內部的氣體溫度，尿素還原NOx反應的適宜溫度為950℃～1050℃，此處內部氣體溫度約1000℃。噴嘴的結構和噴嘴的質量是尿素添加設備的技術關鍵，噴嘴的結構設計應該首先保證使尿素溶液具有良好的霧化效果，其次應考慮噴嘴本身處于高溫部位，應具有良好的耐熱性能，不易燒損。
4 選擇性催化還原（SCR）脫硝法
4.1 SCR 降低NOx原理
盡管綜合采用上述各種措施包括SNCR在內，確保水泥窯NOx的排放穩定在200mg／Nm3以下(現行德國標準)，但勝任這樣要求的富余能力尚不夠大，即其可靠性與安全性尚須進一步地提高，于是就出現了選擇性非催化還原（SNCR）脫硝法。在預熱器出口的管道上把煙氣（約350℃）引入SCR反應器，在管道上加入還原劑尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH)，氮氧化物在催化劑作用下被氨還原為無害的氮氣和水：
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4.2 工藝流程（圖3）
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在窯尾預熱器和增濕塔之間增設一個SCR反應塔，將C1預熱器的廢氣由該反應塔上部導入，與噴入塔內的氨水或尿素等還原劑相混合，借助反應塔內多層接觸劑的催化作用，確保脫氮反應更充分地完成，多層板式催化劑由V2O5、W2O3等活性組分制成的。
SCR脫硝工藝裝置的主要組成部分包括一個裝催化劑的SCR反應器、一個儲罐及一個還原劑注入系統。還原劑即可是帶壓的無水液氨，也可是常壓下的氨水溶液 (通常重量濃度為25%) 。此外還可能是尿素水溶液(通常重量濃度為40%)。當采用氨水或尿素溶液時，通常將其通過位于導管或滑流的霧化噴嘴直接注入到煙氣通道中。無水液氨的儲存壓力取決于儲罐的溫度(例如20℃時壓力為1000kPa)。液氨通過蒸發器中的蒸汽、熱水或電被減壓并蒸發。然后，蒸發的氨氣經空氣稀釋，通過注入系統被注入到煙氣中。注入系統有許多注射噴嘴組成,使氨和煙氣均勻分布。另一方面，在噴嘴數量較少的情況下，可以結合一個靜態的混合器一起使用。氨氣在煙氣內的均勻分布對于實現NOX的有效還原、較低的氨逸出量以及由此達到催化劑的有效利用都十分重要。在NOX 原程度很高時，氣流均勻分布相當重要。
5 結束語
（1）水泥工業隨著新型干法水泥技術的發展和環保標準要求的提高， SNCR和SCR脫硝將會成為主流技術。
（2）企業在不同的地區和不同時段，可選擇采用SNCR法或SCR法脫硝技術。SNCR法的脫硝的效率為50%～60% ，低于選擇性催化還原法(SCR)脫硝的效率(80%～90%)，而SNCR法的費用(包括設備費用和操作費用) 只有SCR 法的五分之一左右。
（3）SCR法脫硝技術是一項SCR方法是頗具潛力的先進實用技術，SCR法可以保證廢氣NOX濃度降到100～200mg／Nm3。NO2的減排效果高達85％～95％，而且其減排性能不會像SNCR那樣受到水泥窯規格大型化的影響，但SCR需要使用和消耗價格昂貴的貴金屬催化劑，且由于水泥企業廢氣的粉塵濃度很高，堿金屬含量較高，易使催化劑中毒和堵塞，在水泥工業上的實踐剛開始不久，還有諸多改進的空間。
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