新型干法水泥窑氮氧化物治理及控制技术
摘 要：本文在分析我国水泥窑氮氧化物的来源及排放量的基础上，对现行的环保标准进行对比评析，提出了采用SNCR法和SCR法脱硝技术的治理原理及工艺方法。
关键词：水泥窑；烟气；氮氧化物控制；
1 水泥窑烟气特性
2007年，我国水泥总产量为13.6亿吨，排放氮氧化物157万吨，占全国工业排放总量的15%，已是居火力发电、汽车尾气之后的第三大氮氧化物排放大户。回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备，也是NOx的主要来源。煅烧水泥熟料时生成一氧化氮NO的途径主要有四种[1]，即第一种热力NOx，它是燃料在水泥窑头1400℃以上燃烧时会产生大量NOx；第二种瞬发NOx，它是有碳氢根存在时，于火焰前端瞬发形成的NOx，一般这种瞬发NO生成量的比例很小；第三种燃料NO，它是由燃料中所含的化学接合氮所产生的。例如煤中约含有0.5％～2％的氮(按质量计)。因为燃料中氮原子的接合能较小，所以在水泥窑系统相对较低温的分解炉内产生的燃料NOx较多；第四种生料NOx，它是由窑喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx，例如NH4等。在窑废气中NO2一般仅占NO+NO2总量的5％以下，NO则占总量的95％以上。
在我国新型干法水泥回转窑上常用的NOx控制技术主要有以下几种：一是优化窑和分解炉的燃烧制度；二是改变配料方案，掺用矿化剂以求降低熟料烧成温度和时间，改进熟料易烧性；三是采用低NOx的燃烧器；四是在窑尾分解炉和管道中的阶段燃烧技术。然而，即使把上述四种措施全部采用起来，事实上水泥窑的NOx 排放也很难达到400mg／Nm3以下。采用选择性非催化还原（SNCR）脱硝法或选择性催化还原（SCR）脱硝法进一步降低NOx排放的措施是一个非常有效的降低NOx排放的途径。
2 水泥工业NOx 的排放标准
水泥工业NOx的排放标准、实际排放数量国内和国外的标准、法规对水泥工业NOx 排放的限定指标见表1[2] 。表中1mg/ Nm3 ≈1.8cm3/Nm3 。德国近30年的监测结果显示,回转窑废气中NOx排放浓度大约在300～2200mg/ Nm3。国内运行的新型干法水泥窑NOx排放浓度尚缺乏系统的统计数据，根据一些不完全的监测数据显示，大约在800～1600mg/Nm3 左右，达不到国家标GB4915-2004和欧盟标准2000/76/EC规定的要求。
表1 国内和国外的标准、法规对排放的限定指标
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3 选择性非催化还原（SNCR）脱硝法
3.1 SNCR 降低NOx原理[3]
在分解炉的中下部(约950℃) 加入还原剂尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH) ,在有部分氧存在的条件下,发生以下反应过程。
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SNCR的反应机理非常复杂，目前仍未能完全了解，多数学者认为NHx基还原剂按图1 所示的途径反应：
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3.2 工艺流程（图2）
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在分解炉的中下部喷入氨水或尿素等容液，使之与烟气中的NOx化合，并将其还原成氮气和水。这样就可较大幅度地削减NOx的排放，削减效果达30％～85％，NO2排放浓度可降到200～400mg／Nm3。氨水储存罐的氨水经过过滤器后，通过氨水添加泵送入分解炉，出添加泵的溶液经过滤后进入流量调节阀和流量计，经计量的溶液进入喷嘴，在喷嘴内与压缩空气混合，雾化后喷入分解炉内。喷嘴位置在分解炉中部(位置见图2) ，有多个喷嘴。其关键技术是喷嘴位置的确定，确定喷嘴位置主要考虑设备内部的气体温度，尿素还原NOx反应的适宜温度为950℃～1050℃，此处内部气体温度约1000℃。喷嘴的结构和喷嘴的质量是尿素添加设备的技术关键，喷嘴的结构设计应该首先保证使尿素溶液具有良好的雾化效果，其次应考虑喷嘴本身处于高温部位，应具有良好的耐热性能，不易烧损。
4 选择性催化还原（SCR）脱硝法
4.1 SCR 降低NOx原理
尽管综合采用上述各种措施包括SNCR在内，确保水泥窑NOx的排放稳定在200mg／Nm3以下(现行德国标准)，但胜任这样要求的富余能力尚不够大，即其可靠性与安全性尚须进一步地提高，于是就出现了选择性非催化还原（SNCR）脱硝法。在预热器出口的管道上把烟气（约350℃）引入SCR反应器，在管道上加入还原剂尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH)，氮氧化物在催化剂作用下被氨还原为无害的氮气和水：
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4.2 工艺流程（图3）
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在窑尾预热器和增湿塔之间增设一个SCR反应塔，将C1预热器的废气由该反应塔上部导入，与喷入塔内的氨水或尿素等还原剂相混合，借助反应塔内多层接触剂的催化作用，确保脱氮反应更充分地完成，多层板式催化剂由V2O5、W2O3等活性组分制成的。
SCR脱硝工艺装置的主要组成部分包括一个装催化剂的SCR反应器、一个储罐及一个还原剂注入系统。还原剂即可是带压的无水液氨，也可是常压下的氨水溶液 (通常重量浓度为25%) 。此外还可能是尿素水溶液(通常重量浓度为40%)。当采用氨水或尿素溶液时，通常将其通过位于导管或滑流的雾化喷嘴直接注入到烟气通道中。无水液氨的储存压力取决于储罐的温度(例如20℃时压力为1000kPa)。液氨通过蒸发器中的蒸汽、热水或电被减压并蒸发。然后，蒸发的氨气经空气稀释，通过注入系统被注入到烟气中。注入系统有许多注射喷嘴组成,使氨和烟气均匀分布。另一方面，在喷嘴数量较少的情况下，可以结合一个静态的混合器一起使用。氨气在烟气内的均匀分布对于实现NOX的有效还原、较低的氨逸出量以及由此达到催化剂的有效利用都十分重要。在NOX 原程度很高时，气流均匀分布相当重要。
5 结束语
（1）水泥工业随着新型干法水泥技术的发展和环保标准要求的提高， SNCR和SCR脱硝将会成为主流技术。
（2）企业在不同的地区和不同时段，可选择采用SNCR法或SCR法脱硝技术。SNCR法的脱硝的效率为50%～60% ，低于选择性催化还原法(SCR)脱硝的效率(80%～90%)，而SNCR法的费用(包括设备费用和操作费用) 只有SCR 法的五分之一左右。
（3）SCR法脱硝技术是一项SCR方法是颇具潜力的先进实用技术，SCR法可以保证废气NOX浓度降到100～200mg／Nm3。NO2的减排效果高达85％～95％，而且其减排性能不会像SNCR那样受到水泥窑规格大型化的影响，但SCR需要使用和消耗价格昂贵的贵金属催化剂，且由于水泥企业废气的粉尘浓度很高，碱金属含量较高，易使催化剂中毒和堵塞，在水泥工业上的实践刚开始不久，还有诸多改进的空间。
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