水泥窯爐空氣分級燃燒及SNCR煙氣脫硝技術(shù)

　　近年來，水泥工業(yè)隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的需要而得到了快速的發(fā)展，但是水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境的污染也在不斷加劇，特別是廢氣中的NOx對大氣環(huán)境的影響已非常嚴(yán)重。由此，本文從以下幾個方面系統(tǒng)介紹了我公司治理水泥窯爐煙氣中NOx的煙氣脫硝技術(shù)，希望能對水泥窯爐NOx治理起到一定的借鑒作用。

　　1 水泥窯爐NOx產(chǎn)生機(jī)理

　　在新型干法水泥生產(chǎn)工藝中，回轉(zhuǎn)窯和分解爐是水泥物料燒成的兩個關(guān)鍵設(shè)備。然而，回轉(zhuǎn)窯和分解爐也是NOx生成的主要來源。

　　在水泥熟料生產(chǎn)過程中，大約有40%左右的煤粉從回轉(zhuǎn)窯窯頭的多通道燃燒器噴入窯內(nèi)，并進(jìn)行高溫燃燒，為煅燒物料的熔融和礦物重結(jié)晶提供足夠的溫度，但物料溫度必須超過1400℃時(shí)才會發(fā)生物料熔融和礦物重結(jié)晶現(xiàn)象，因此通常需要將窯頭燃燒器形成的火焰溫度控制在1800～2200℃之間，然而這樣在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)就會生成熱力型NOx和燃料型NOx，且均有較多的形成比例，其中尤以熱力NOx為主。同時(shí)，大約60%左右的煤粉進(jìn)入分解爐，爐內(nèi)的溫度一般在850～1100℃范圍內(nèi)，在此溫度下，基本可以不考慮熱力型NOx的形成，主要是燃料型NOx。

　　由此，本文系統(tǒng)介紹了我公司治理水泥窯爐煙氣中NOx的空氣分級燃燒及SNCR脫硝技術(shù)，希望能對水泥窯爐NOx治理起到一定幫助。

　　2 水泥窯爐空氣分級燃燒技術(shù)

　　2.1 基本原理

　　水泥窯爐空氣分級燃燒是目前最為普遍的降低NOx排放的燃燒技術(shù)之一。其基本原理如圖（一）所示：將燃燒所需的空氣量分成兩級送入，使第一級燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)小于1，燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，從而降低了熱力型NOx的生成。同時(shí)，燃燒生成的CO與NOx發(fā)生還原反應(yīng)，以及燃料氮分解成中間產(chǎn)物（如NH、CN、HCN和NHx等）相互作用或NOx還原分解，從而抑制了燃料型NOx的生成，具體反應(yīng)如下：

　　2CO + 2NO → 2CO₂ + N₂     （1）

　　NH + NH → N₂ + H₂              （2）

　　NH + NO → N + OH               （3）

　　在二級燃燒區(qū)（燃盡區(qū)內(nèi)，將燃燒用空氣的剩余部分以二次空氣的形式輸入，成為富氧燃燒區(qū)。此時(shí)，空氣量增多，一些產(chǎn)物被氧化生成NOx，但因溫度相對常規(guī)燃燒較低，因而總的NOx生成量不高，具體反應(yīng)如下：

　　CN + O → CO + NO        （4）

　　2.2 改造方案及效果

圖1  水泥窯爐空氣分級燃燒技術(shù)示意圖

　　如圖1所示，保持原分解爐主體結(jié)構(gòu)不變，在分解爐煙室預(yù)留的脫硝還原區(qū)設(shè)置高速噴煤嘴，讓噴入的煤粉在此區(qū)域內(nèi)缺氧燃燒，產(chǎn)生適量的還原氣氛，與窯氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化為無污染的N₂。同時(shí)將三次風(fēng)管入分解爐的部分管道抬高到相應(yīng)位置。整個窯尾用煤總量與改造前保持一致，只是進(jìn)入分解爐及還原區(qū)的用煤量不同。

　　水泥窯爐經(jīng)過空氣分級燃燒技術(shù)改造后，其脫硝效率一般可達(dá)20%左右。

　　3 水泥窯爐SNCR煙氣脫硝技術(shù)

　　3.1 基本原理

　　SNCR脫硝技術(shù)即選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，以下簡寫為SNCR）技術(shù)，是一種不用催化劑，在850～1100℃的溫度范圍內(nèi)，將含氨基的還原劑（如氨水，尿素溶液等）噴入爐內(nèi)，將煙氣中的NOx還原脫除，生成氮?dú)夂退那鍧嵜撓跫夹g(shù)。

　　在合適的溫度區(qū)域，且氨水作為還原劑時(shí)，其反應(yīng)方程式為：

　　4NH₃ + 4NO + O2→4N₂ + 6H₂O    （1）

　　然而，當(dāng)溫度過高時(shí)，也會發(fā)生如下副反應(yīng)：

　　4NH₃ + 5O₂→4NO + 6H₂O        （2）

　　3.2 SNCR脫硝還原劑的選擇

　　目前，SNCR脫硝工藝最常用的還原劑有氨水和尿素兩種。然而，在SNCR脫硝系統(tǒng)中，還原劑是最大的消耗品，脫硝還原劑的選擇是整個脫硝工藝中很重要的一個環(huán)節(jié)。

　　（1）氨水和尿素的特性對比

　　氨水的特性：氨水與無水氨都屬于危險(xiǎn)化學(xué)品。作為脫硝原劑時(shí)，通常采用20%～25%濃度的氨水。無色透明液體，易分解放出氨氣，溫度越高，分解速度越快。如果溢出，氨水液體擴(kuò)散范圍較無水氨小，濃度范圍較易控制，較無水氨相對安全。

　　尿素的特性：尿素是白色或淺黃色的結(jié)晶體，易溶于水。不同濃度的尿素水溶液有不同的結(jié)晶溫度。與無水氨及氨水相比，尿素是無毒、無害的化學(xué)品，是農(nóng)業(yè)常用的肥料，無爆炸可能，完全沒有危險(xiǎn)。

　　（2）占地面積對比

　　氨水作為還原劑時(shí)，僅需考慮氨水儲罐的位置，占地面積較小。而尿素作為還原劑時(shí)，需要設(shè)計(jì)專門的尿素溶液制備系統(tǒng)，占地面積較大。

　?。?）工藝系統(tǒng)對比

　　尿素需要經(jīng)過溶解制成50%以下的尿素溶液，需要蒸汽加熱，且存在結(jié)晶等問題。而氨水作為還原劑時(shí)，不存在結(jié)晶問題，其工藝系統(tǒng)最簡單、最可靠。

　?。?）還原劑利用率對比

　　由于水泥窯分解爐內(nèi)溫度正常為850～950℃之間，當(dāng)氨水作為還原劑噴入分解爐時(shí)，水分迅速蒸發(fā)為氣態(tài)而散失在煙氣中，氨則有選擇性地與煙氣中的NOx反應(yīng)，從而脫除NOx；而尿素溶液作為還原劑噴入分解爐時(shí)，水分也迅速蒸發(fā)，但尿素粒子并不能立即與煙氣中的NOx反應(yīng)，還需要在高溫狀態(tài)下進(jìn)行分解，生成NH₃后，再與煙氣中的NOx反應(yīng)。

　　因此，綜合以上分析，筆者認(rèn)為氨水作為還原劑比較可靠！

　　3.3 SNCR脫硝工藝流程

圖2  典型水泥窯爐SNCR工藝流程圖

　　如圖2所示，水泥窯爐SNCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)主要包括還原劑儲存系統(tǒng)、循環(huán)輸送模塊、稀釋計(jì)量模塊、分配模塊、背壓模塊、還原劑噴射系統(tǒng)和相關(guān)的儀表控制系統(tǒng)等。

　　3.4 脫硝效果

　　在SNCR脫硝系統(tǒng)中，還原劑噴入水泥窯分解爐內(nèi)合適的溫度區(qū)間，在NH₃/NOx摩爾比為1.0～1.8情況下，脫硝效率可達(dá)30％～60％左右，氨逃逸≤10ppm。

　　4 結(jié)論與展望

　　通過以上兩種脫硝技術(shù)的介紹和分析，筆者建議：在水泥窯爐煙氣中NOx初始濃度不高或環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求不高時(shí)，采用幾乎沒有運(yùn)行成本的空氣分級燃燒脫硝技術(shù)比較經(jīng)濟(jì)；而在NOx初始濃度較高或環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)苛刻時(shí)，同時(shí)使用空氣分級燃燒和SNCR脫硝相結(jié)合脫硝技術(shù)，可以最終實(shí)現(xiàn)高脫硝效率和低運(yùn)行成本的兩重目標(biāo)。