海螺集團(tuán)水泥窯脫硝技術(shù)路線

  2012年元月，國家環(huán)境保護(hù)部總量減排第10核查組在海螺集團(tuán)考察調(diào)研水泥行業(yè)減排工作時要求：海螺集團(tuán)作為中國水泥行業(yè)的龍頭企業(yè)，在技術(shù)、人才、工藝先進(jìn)性等方面具有很強優(yōu)勢，多年來在技術(shù)創(chuàng)新上敢為人先、不斷超越，當(dāng)今，要大力推廣低氮燃燒技術(shù)、率先建設(shè)運行脫硝設(shè)施，對全國水泥企業(yè)環(huán)境治理起到積極的示范作用。

  為了貫徹落實《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》提出的水泥行業(yè)NO_X減排任務(wù)，海螺集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)高度重視，立即成立“脫硝工作領(lǐng)導(dǎo)小組”，認(rèn)真摸索和總結(jié)水泥行業(yè)煙氣脫硝技術(shù)方面綜合管理和創(chuàng)新經(jīng)驗，通過分批次工業(yè)性實驗形成具有“海螺特色”的“精細(xì)化操作+低氮燃燒+SNCR煙氣脫硝”技術(shù)路線，為《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2013）正式實施做好了技術(shù)準(zhǔn)備。現(xiàn)將海螺集團(tuán)水泥煙氣脫硝技術(shù)路線摸索和全面推廣情況介紹如下：

  一、當(dāng)前水泥行業(yè)脫硝技術(shù)現(xiàn)狀

  1.NO_x的形成機(jī)理

  NO 和 NO₂ 是水泥窯 NOx 排放的主要成分（NO 約占95%），主要有3種形成機(jī)理：

  （1）“熱力型”NO_x，為空氣中N₂在高溫下氧化而產(chǎn)生的NO_x，生成量主要取決于溫度，低于1350℃幾乎不生產(chǎn)，高于1500℃大量生產(chǎn)。回轉(zhuǎn)窯中燒成帶火焰溫度高達(dá)1500℃以上，空氣中的N₂和O₂快速反應(yīng)，熱力型NO_x大量生產(chǎn)。

  ⑵“燃料型”NO_x，為水泥主要生產(chǎn)燃料煤在燃燒中產(chǎn)生的NO_x。

  ⑶“瞬時型”NO_x，為燃燒時空氣的N和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生產(chǎn)的NO_x。水泥生產(chǎn)中這種NO_x微不足道。

  圖1：燃燒過程中三種生成機(jī)理對NOx排放量的貢獻(xiàn)示意圖

  水泥生產(chǎn)中，熱力型 NO_x的排放是主要的，瞬時型NO_x可以忽略不計。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，初始濃度范圍大多在 800－1200 mg/m³。

  2.降低NO_x排放的控制技術(shù)

  西方發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)60年代末就充分重視NO_x的污染，各種NO_x控制技術(shù)應(yīng)運而生。NO_x控制是一個十分復(fù)雜的問題，其設(shè)計必須針對不同的窯型、產(chǎn)量和燃料特性等，采用不同的技術(shù)措施?？刂品桨笐?yīng)燃燒技術(shù)、燃料性質(zhì)、設(shè)備改造或新建、以及需滿足的排放標(biāo)準(zhǔn)不同而異，以燃料燃燒順序來分，NO_x控制主要分為燃燒前控制、燃燒中控制、燃燒后控制。

  1.燃燒前的控制手段：主要是選擇含氮低的燃料或使用低氮的替代原料，以期降低“燃料式”NO_x的生成。此法受燃料來源的地域因素影響較大，若廠區(qū)附近沒有低氮的燃料，脫硝成本不經(jīng)濟(jì)。

  2.燃燒中控制法：在燃料燃燒的過程中，使用低氮燃燒器或?qū)ΜF(xiàn)有噴煤管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使用低氧燃燒、濃淡偏差燃燒等對燃燒優(yōu)化控制，以期減少NO_x的生成。

  分級燃燒：主要包括燃料分級燃燒和空氣分級燃燒兩種，原理都是第一步將燃料燃燒處于還原氣氛中，形成富燃料區(qū)，減少或抑制NO_x的生產(chǎn)；第二步是未完成燃燒的燃料與三次風(fēng)過量空氣匯合，在富氧區(qū)完全燃燒。

  火焰冷卻：通過噴水、液體燃料等方式降低燃料火焰區(qū)溫度，達(dá)到減少熱力NO_x的目的。

  3.燃燒后控制法

  燃燒后煙氣脫硝技術(shù)是根據(jù)NO_x還原、氧化和吸附的特性而研發(fā)的一種脫硝技術(shù)。當(dāng)前該技術(shù)主要包括液體吸收法、吸附法、氣相反應(yīng)法（SNCR、SCR或SNCR/SCR混合法）等，目前歐美地區(qū)水泥廠主要使用的燃燒后脫硝技術(shù)為SNCR，歐美地區(qū)僅有幾家水泥廠使用了SCR，但不具有推廣性。原因主要是氣體粉塵濃度太大，使用成本高。

  表1：水泥窯脫硝技術(shù)應(yīng)用效能的比較

  針對水泥行業(yè)的脫硝技術(shù)，國內(nèi)發(fā)展較晚，2012年前尚未大規(guī)模啟動脫硝項目，可借鑒的資料不多，基于國外技術(shù)資料和海螺的脫硝工程經(jīng)驗，海螺集團(tuán)在2012年以前主要采用離線式分解爐、C-KSV分解爐、分級燃燒、低氮燃燒器等燃燒中控制技術(shù)， 通過精細(xì)化操作可將NO_x排放濃度控制在550mg/m³左右。

  (1)在寧國廠1#窯、銅陵海螺1#窯、凌云通鴻1#窯、新疆哈密1#窯、盈江允罕1#窯、武岡云峰1#窯采用離線式分解爐。

  (2)自2004年起，在銅陵海螺3#-5#窯（2×10000t/d及12000t/d）、樅陽海螺4#窯（7200t/d）、池州海螺1#窯（8000t/d）、蕪湖海螺5#-6#窯（2×12000t/d）成功地引進(jìn)應(yīng)用了分級燃燒的低NO_x控制技術(shù)。

  (3)2008年，與川崎聯(lián)合開發(fā)了低NO_x型 C-KSV分解爐，目前在海螺國內(nèi)已有37條低NO_x型水泥熟料生產(chǎn)線投入了運行，減排效果良好。

  (4)2011年，為了進(jìn)一步執(zhí)行國家環(huán)保減排保底政策，海螺水泥總結(jié)在脫硝技術(shù)方面的成功經(jīng)驗，與川崎聯(lián)合開發(fā)分級燃燒技術(shù)，已在65條水泥熟料生產(chǎn)線實施技術(shù)改造。

  表2：分級燃燒技改項目部分統(tǒng)計表

  二、海螺水泥脫硝的技術(shù)路線探討

  雖然海螺集團(tuán)燃燒中控制法的減排效果顯著，但為積極貫徹落實國家 “十二五”NO_x減排任務(wù)和滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求，海螺集團(tuán)“脫硝工作領(lǐng)導(dǎo)小組”積極探索科學(xué)實用的水泥窯脫硝技術(shù)路線。

  1．脫硝技術(shù)交流和研討

  2012年以來，海螺集團(tuán)“脫硝工作領(lǐng)導(dǎo)小組”按環(huán)保部的指示精神，圍繞水泥窯脫硝技術(shù)，與廣東南大環(huán)保、日本川崎等國內(nèi)外多家環(huán)?？蒲袡C(jī)構(gòu)和環(huán)保企業(yè)進(jìn)行技術(shù)交流和考察，對幾種常用的NO_x減排技術(shù)進(jìn)行摸底，對國內(nèi)水泥企業(yè)的煙氣脫硝項目進(jìn)行實地調(diào)研，了解常用脫硝技術(shù)的優(yōu)缺點，對該技術(shù)的運行狀況進(jìn)行深入研討。

  2.水泥生產(chǎn)線煙氣脫硝技術(shù)的比較

  海螺集團(tuán)熟料線基本配備低氮燃燒系統(tǒng)，必須在低氮燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上實施煙氣脫硝技改，才能將NO_x的排放濃度控制到較低的水平。通過幾種常用的煙氣脫硝技術(shù)的調(diào)研，海螺集團(tuán)對煙氣脫硝控制技術(shù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析比較。

  表3：煙氣脫硝技術(shù)設(shè)計參數(shù)比較

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  通過比較可知，SCR和SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)在水泥熟料線上的應(yīng)用尚不成熟，SCR系統(tǒng)與水泥生產(chǎn)線的接口問題難解決，催化劑的使用條件受煙氣溫度和含塵濃度的限制；SCR系統(tǒng)接口位置設(shè)在預(yù)熱器出口，煙氣成分復(fù)雜，含塵量高（60～100g/Nm³），易引起催化劑堵塞、中毒或活性下降。該技術(shù)在水泥廠的適用性還需進(jìn)一步論證。

  3.水泥廠脫硝技術(shù)的選擇原則

  控制水泥窯爐NO_x排放有很多種方法，各種脫硝工藝工程投資和脫硝效率各不相同，選擇何種脫硝工藝一般可根據(jù)以下幾個方面綜合考慮：

  （1）NO_x排放必須滿足國家和當(dāng)?shù)卣疁p排要求；脫硝設(shè)施必須適用于工程已確定的運行條件，對生產(chǎn)運行影響最??；根據(jù)工程的實際情況盡量減少脫硝裝置的建設(shè)投資。

  （2）脫硝工藝要做到技術(shù)成熟、設(shè)備運行可靠，并有較多成功的運行業(yè)績；盡量從源頭（燃燒過程中）來降低NO_x的生成，降低后續(xù)煙氣脫硝技術(shù)設(shè)施的運行成本。

  （3）煙氣脫硝技術(shù)先進(jìn)，還原劑、水和能源等消耗少，盡量減少運行費用；煙氣脫硝技術(shù)還原劑要有穩(wěn)定可靠的來源；脫硝裝置應(yīng)布置合理。

  4.海螺脫硝技術(shù)路線的確定

  根據(jù)“技術(shù)先進(jìn)、工藝成熟、經(jīng)濟(jì)合理”的選擇原則，憑借先進(jìn)的窯操作技術(shù)和豐富的生產(chǎn)管理經(jīng)驗，海螺集團(tuán)成功將精細(xì)化操作、低氮燃燒及煙氣脫硝技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成具有海螺特色的新型干法熟料生產(chǎn)線綜合脫硝技術(shù)路線圖，使脫硝效率有效控制在環(huán)保行政主管部門要求標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)、脫硝運行成本最低、生產(chǎn)組織安全可靠。為水泥企業(yè)探尋到當(dāng)前優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)的新型干法水泥窯脫硝解決方案。

  ⑴采用精細(xì)化操作和低氮燃燒技術(shù)，進(jìn)行分解爐燃料分級燃燒技術(shù)改造，將燃料分級加入，降低分解爐內(nèi)燃料型NOx的形成，并還原窯內(nèi)產(chǎn)生的熱力型NO_x，從而實現(xiàn)NO_x的排放，并通過操作的優(yōu)化調(diào)整，可穩(wěn)定控制NO_x的排放濃度在550mg/Nm³以下。

  ⑵采用選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝技術(shù)，配套建設(shè)SNCR煙氣脫硝設(shè)施，在分解爐上部合適的溫度區(qū)間內(nèi)噴入還原劑，與煙氣中NO_x發(fā)生還原反應(yīng)，進(jìn)一步降低NO_x排放，還可以減少還原劑（氨水）的消耗量和氨逃逸，在保持與窯長期同步運行的前提下降低脫硝成本。

  三、海螺集團(tuán)脫硝技術(shù)特點

  海螺集團(tuán)具有新型干法窯工藝技術(shù)不斷提高和創(chuàng)新的能力，集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)在水泥生產(chǎn)、工藝控制、精細(xì)化管理等方面給予了大力支持和推動，將污染物減排技術(shù)有機(jī)融入生產(chǎn)工藝全過程，因此海螺綜合脫硝技術(shù)路線具有以下主要特點：

  1.嚴(yán)格實施精細(xì)化操作

  窯尾煙室的氧含量越低，分級燃燒的脫氮效果越好。海螺集團(tuán)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)窯尾氧含量高于3.5%時，脫硝效率明顯下降。因此，必須以全面提高生產(chǎn)管理水平和精細(xì)化操作水平為保證，這對于很多水泥廠來說是挑戰(zhàn)。

  海螺集團(tuán)通過優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的煅燒制度，控制利于降低NO_x的火焰形狀和適當(dāng)?shù)撵褵郎囟龋辉诓挥绊懯炝腺|(zhì)量的前提下，降低窯尾主排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、減少系統(tǒng)用風(fēng)、增加三次風(fēng)量、盡量降低過?？諝庀禂?shù)；適當(dāng)降低窯內(nèi)喂煤量、增加分解爐喂煤量，從而使NO_x排放濃度控制在800mg/Nm³以下，同時系統(tǒng)阻力有所降低。在保證脫硝效率的同時可降低熟料燒成能耗，從而達(dá)到了節(jié)能減排效果。

  2．對窯尾煙室和分解爐成功實施改造

  低氮燃燒脫硝技術(shù)在國外水泥行業(yè)應(yīng)用普遍，國內(nèi)雖已引進(jìn)該技術(shù)，但由于技術(shù)消化沒有到位、操作控制管理不當(dāng)，導(dǎo)致脫硝效率較低。

  海螺集團(tuán)對窯尾煙室入爐煙氣進(jìn)行整流，改造上升煙道，使窯內(nèi)煙氣入爐流場穩(wěn)定，降低入爐風(fēng)速。脫氮區(qū)空間能夠滿足煤粉及還原性物質(zhì)還原NO_x所需的停留時間。在熟料生產(chǎn)線煙室和分解爐之間建立還原燃燒區(qū)，將分解爐煤粉分4點、上下2層喂入，增加了燃燒空間。在保證煤粉充分燃燒的同時，適當(dāng)增加分解爐錐部的煤粉喂入比例，保證無焰燃燒產(chǎn)生CO、CH₄、H₂、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NO_x發(fā)生反應(yīng)，將NO_x還原成N₂等無污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒也抑制了自身燃料型NO_x產(chǎn)生，從而實現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的 NO_x 減排，確保使改造后的NO_x排放濃度控制在550mg/Nm³左右。

  低氮燃燒技術(shù)改造項目施工現(xiàn)場

  3．成功實施配套改造

  根據(jù)原系統(tǒng)三次風(fēng)入爐速度和流場分布的需要，調(diào)整三次風(fēng)入口面積大小和入爐風(fēng)速；根據(jù)原系統(tǒng)的運行狀況，調(diào)整下料點位置，使生料沿分解爐錐部內(nèi)部下滑，避免了分解爐錐部高溫結(jié)皮現(xiàn)象；在上升煙道與分解爐錐部連接處設(shè)計弧面揚料臺，防止塌料現(xiàn)象發(fā)生。

  4.優(yōu)化操作SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)

  為保證滿足脫硝要求，海螺集團(tuán)在認(rèn)真總結(jié)增濕塔處理窯廢氣操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在SNCR煙氣脫硝設(shè)施的爐前噴射系統(tǒng)布置8-16支（根據(jù)窯型確定數(shù)量）霧化效果好、具有防堵功能的噴槍，每支槍流量調(diào)節(jié)范圍20～200L/h，針對熟料生產(chǎn)線的特點設(shè)定科學(xué)合理的NH₃/NO_x摩爾比，選用脫硝效率高、運行成本低、運輸保管安全性能好、貨源充足的20%氨水作為還原劑。通過PLC控制系統(tǒng)將SNCR運行參數(shù)在中控操作室電腦屏幕上顯示，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的，并按照在線監(jiān)控數(shù)據(jù)自動控制氨水噴入量，確保NO_x排放濃度和氨逃逸量受控。

  SNCR煙氣脫硝的氨區(qū)廠房

  四、海螺水泥脫硝技術(shù)路線的應(yīng)用推廣

  1.2012年5月18日，水泥股份召開《水泥股份（2012）第6期辦公會》，會議研究決定首先對蕪湖海螺、重慶海螺、建德海螺各1條4500t/d熟料生產(chǎn)線作為分級燃燒技術(shù)改造示范線，從2012年5月下旬開始組織實施；在成功的基礎(chǔ)上，對各地列入2012年底需要完成的節(jié)能減排生產(chǎn)線，作為第二批進(jìn)行實施，對2013年底需要完成的生產(chǎn)線作為第三批進(jìn)行實施。截止2015年5月，將水泥股份未配套低氮燃燒系統(tǒng)的65條水泥熟料生產(chǎn)線，分五批逐步完成分級燃燒技改。

  2.2012年11月，海螺集團(tuán)組織召開《關(guān)于海螺水泥SNCR脫硝試點推進(jìn)會》，會議研究決定在蕪湖海螺等10家12條生產(chǎn)線進(jìn)行試點，并要求于2012年12月25日前完成技改投入使用。在試點成功的基礎(chǔ)上，海螺集團(tuán)綜合考慮各區(qū)域地方NO_x減排政策、優(yōu)惠政策和支持力度、新建項目竣工環(huán)保驗收、窯型等因素，分別于2013年4月12日啟動第二批脫硝項目、2013年5月7日啟動第三批脫硝項目、2013年7月26日啟動第四批脫硝項目、2013年10月14日啟動第五批脫硝項目、2014年3月4日啟動第六批脫硝項目、2014年5月6日啟動第七批脫硝項目、2014年6月24日啟動第八批脫硝項目、2014年12月8日啟動第九批脫硝項目、2015年3月1日啟動第十批脫硝項目。

  五、海螺水泥脫硝技術(shù)路線的實施效果

  具有海螺特色的新型干法水泥窯脫硝技術(shù)已達(dá)到國家環(huán)保部對海螺集團(tuán)在脫硝技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的要求，系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)水泥行業(yè)將精細(xì)化操作、低氮燃燒及煙氣脫硝技術(shù)有機(jī)結(jié)合的操作路線圖，解決了單獨使用SNCR煙氣脫硝技術(shù)產(chǎn)生的還原劑使用量大、氨逃逸濃度高、下游設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重及運行成本高等難題，是當(dāng)今水泥企業(yè)最可靠的脫硝模式，得到了地方環(huán)保行政主管部門、水泥協(xié)會和同行的高度稱贊和推廣。

  海螺集團(tuán)在投資推廣該項技術(shù)的同時，還要求根據(jù)區(qū)域特性加快研究還原劑、燃料品種和煅燒工藝方式的開發(fā)，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。截止2015年5月底，海螺集團(tuán)全部水泥熟料生產(chǎn)線都采用了“精細(xì)化操作+低氮燃燒+SNCR”海螺脫硝技術(shù)路線、且與窯同步運行，經(jīng)地方環(huán)保行政主管部門驗收， NO_x排放濃度均優(yōu)于《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2013）排放限值，確保滿足各區(qū)域不同脫硝減排要求，并已獲得脫硝專項補助資金1億余元。