技术 | 水泥窑炉NOx原位还原超低排放技术及示范
摘要：针对水泥窑炉氮氧化物排放标准日趋严格，本文创新性提出了适用于燃煤水泥窑炉的原位还原脱硝技术，该技术具有脱硝效率高、成本低、环保兼容性好、工程现场易实施等优点。中试验证结果显示：原位还原脱硝技术的脱硝效率可达到60%~80%。在此基础上，原位还原脱硝技术在2 500 t/d水泥窑炉上进行了工程示范应用。第三方测试结果表明，在较少喷氨量和煤耗略降低条件下，水泥窑炉氮氧化物排放达到80 mg/m3。中试与工程示范结果表明，原位还原脱硝技术用于燃煤水泥窑炉氮氧化物减排是可行的，该技术的提出为水泥工业实现超低排放提供了一条新的技术途径。
我国是水泥生产和消费大国，根据国家统计局最新数据显示，2019年全国累计水泥产量23.3亿t，而最新数据显示2020年的水泥产量超过了这一水平，达到23.77亿t。水泥工业虽然支撑了我国经济发展，但是煅烧水泥熟料的工业窑炉同时也是环境污染的重要源头。目前，我国水泥工业NOx年排放量超过百万吨，占到全国年排放总量的10%~12% [1]，已成为继热力发电和交通运输之后的第三大NOx排放源，是引起雾霾天气的主要成因之一，严重危害大气环境和人类健康。实现水泥窑炉超低NOx排放，是我国当前和今后很长一段时期内面临的重大战略需求和紧迫任务，对于我国大气污染综合治理和打赢蓝天保卫战都具有重要战略意义。
我国现行水泥工业大气污染物排放标准规定，一般地区NOx排放不高于400mg/m3，重点地区NOx排放不高于320mg/m3。然而，面对日益严峻的环保压力，一些地方省市地区针对水泥窑炉相继出台了更高的NOx排放标准，例如，河南省和江苏省将标准提高到了100 mg/m3，河北唐山更是提高到了50 mg/m3。我国水泥产量基数巨大，虽然国内水泥行业经过几十年的高速发展，污染物减排方面取得了长足的进步，但每年排放的污染物总量仍然巨大，对环境造成较大压力，要求水泥工业实现洁净生产和超低排放的呼声越发高涨。NOx的减排任重道远。
1 水泥工业脱硝技术研发现状
水泥窑炉常采用的脱硝技术包括低氮燃烧器、分级燃烧、选择性非催化还原（Selective Non-catalytic Reduction，SNCR）、选择性催化还原（Selective catalytic Reduction，SCR）、燃烧和流场优化等技术。
1.1 低氮燃烧器
低氮燃烧器已在水泥行业得到广泛应用，但主要用于回转窑。由于回转窑固有的高温煅烧工艺，加之回转窑生产工况多变，其脱硝效率仅为10%左右。
1.2 分级燃烧技术
分级燃烧技术，是将分解炉所用煤粉燃料或者燃烧所用空气进行分级多点配送，在保证燃料燃烧效率的前提下尽可能多的营造出还原性气氛区域，一方面降低NOx的生成，另一方面将来自回转窑的NOx还原成N2，以达到NOx减排目的。对于干法水泥生产工艺而言，分级燃烧是较为经济的NOx减排方法。单独应用分级燃烧技术时的脱硝效率仅为15%~20%。
1.3 SNCR脱硝技术
SNCR是目前水泥窑炉普遍采用的一种脱硝技术，受制于反应动力学条件，脱硝效率在50%左右，主要采用向分解炉或者分解炉出口烟道喷洒氨水或者尿素的形式实现NOx的还原，由于其有效运行温度在850~1 100 ℃范围内，因此喷洒位置只能位于分解炉或者分解炉出口与末级旋风筒入口之间的烟道上，极大限制了该技术在其他工艺环节中的应用。SNCR技术也很难适应和满足水泥工业日益严苛的排放标准和环保要求。
1.4 SCR脱硝技术
SCR技术脱硝原理与SNCR类似，由于催化剂的使用，其脱硝效率可提高至90%左右，大大减少了氨水用量，目前虽已在大型工业锅炉以及电站锅炉领域得到广泛应用，但在水泥窑炉的应用却十分有限。国外方面，早在2000年，德国的Solnhofen水泥厂就安装了欧洲第一套SCR脱硝装置，不过在2005年已停用，目前尚在运行的SCR脱硝水泥生产线有意大利的Monselice、Sarche和Rezzato，德国的Mergelstetten和Ronhrdorf，奥地利的Mannersdorf和Kirchdorfer，以及美国Joppa 水泥厂的8条生产线。国内方面，首套SCR脱硝示范装置于2018年10月在河南登封宏昌水泥公司建成，该示范装置实现了低于50 mg/m3的NOx排放，不过投资成本相对较大。另外为了降低SCR反应器规模，减少投资成本，前端仍然配备了SNCR系统，将进入SCR反应器的烟气中的NOx浓度提前降至400 mg/m3。SCR技术目前常采用钒系催化剂，其反应活性温度在300~400 ℃之间，而这个温度范围对应的水泥生产工艺环节正好处于一级预热器（C1）出口位置，该处烟气含尘量极高，对催化剂形成冲刷磨损且催化剂通道易被堵塞。与此同时，由于烟气中含有碱金属等复杂成分，容易引起催化剂中毒失活。目前，国内外众多学者都在致力于中低温SCR催化剂的研发，以避开C1出口的高尘环境，其中清华大学李俊华教授和中国建筑材料科学研究总院的汪澜教授在这方面取得了很好的研究进展，各自在国家重点研发计划项目的支持下都建立了示范工程（河南登封宏昌水泥与浙江长兴南方水泥，均为5 000 t/d生产线），如果所研发的催化剂能够得到大规模商用，中低温SCR脱硝技术将值得期待。
1.5 燃烧和流场优化技术
优化分解炉内的燃烧和流场分布，是降低NOx排放的另一条技术途径。国内包括华中科技大学、武汉理工大学、华南理工大学、清华大学以及北京航空航天大学等在内的多家单位，对分解炉内的流场组织和优化[2]、氮氧化物释放特性与生成机理[3]、以及氮氧化物还原特性[4]等展开了大量的研究工作，取得了很好的研究进展。然而，由于水泥分解炉内部环境非常复杂，涉及煤粉/煤焦/挥发分的燃烧、水泥生料（CaCO3）吸热分解、气固两相流动传热传质以及NOx还原等物理化学过程，多场耦合且具有较高固气比的特点，给分解炉内的流场优化研究带来了较大困难，研究结果往往不能真实反映炉内实际情况，使得研究结论对实际生产的指导作用有限，而且通过优化分解炉内的燃烧和流场带来的NOx减排收益也非常有限。
另外，还有热炭催化还原技术，燃煤饱和蒸汽催化燃烧脱硝技术等。本文主要介绍笔者团队提出的原位还原脱硝技术的特点及效果。
2 原位还原脱硝技术
在中国科学院洁净能源A类战略性先导科技专项的资助下，中国科学院工程热物理研究所循环流化床实验室团队针对水泥窑炉现有脱硝技术面临的问题，在不改变主要生产工艺流程的情况下，创新性提出了适用于燃煤水泥窑炉的原位还原脱硝技术[5]，下面对其技术原理、技术特点、可行性验证结果以及示范应用效果进行详细介绍。
2.1 技术原理与特点
原位还原脱硝技术原理如图1所示。与原有工艺流程直接向分解炉给入冷煤粉相比，该方法利用还原炉对煤粉进行预热处理，原分解炉给煤改为从还原炉给入并进行自持预热，以获得高温气固二元燃料 （煤焦和煤气），之后进入分解炉内燃烧，为水泥生料分解提供热量。煤粉经过预热处理后，一方面，一部分燃料氮在还原炉中直接转化为氮气，减少了燃料型NOx的生成，实现分解炉煤燃烧NOx原位脱除；另一方面，获得的高温燃料与冷煤粉相比具有更强的还原性，进入分解炉后，可对窑气中的高浓度NOx进行强还原。该技术对现行水泥生产工艺改动较少，因而投资和运行成本与现有技术相比具有较大优势，而采用独特的煤粉预热形式，更使得分解炉可以燃用劣质煤和粗颗粒煤，拓展了分解炉的燃料适应性，同时可以达到节能效果。
2.2 技术可行性验证
在实验室条件下，对原位还原脱硝技术的可行性和有效性进行了试验验证，验证平台示意见图2。
试验平台主要由还原炉、分解炉、燃气热风炉、烟气冷却器、布袋除尘器、以及测控系统等组成。燃气热风炉用于产生高温烟气，以模拟回转窑窑尾出口窑气，通过与高浓度NO气体混合，可以调节窑气中的NO浓度。煤粉经过还原炉预处理后产生高温气固二元燃料，并进入分解炉内燃烧，为水泥生料分解提供热量。还原炉处理煤量5 kg/h，分解炉高度7.5 m，分解炉温度900 ℃，窑气量与分解炉烟气量按照实际回转窑与分解炉给煤比例设计。试验过程中，参照实际回转窑窑尾烟气温度和NO浓度，通过调节燃气热风炉参数和NO配气流量，将模拟窑气温度控制在1 000 ℃左右，同时将模拟窑气中NO浓度控制在1 200 ppm，待分解炉内燃烧状态完全达到稳定状态后，测量分解炉出口烟气的NOx浓度。试验结果显示原位还原技术的脱硝效率在60%~80%[5]，且受到还原炉运行条件（还原炉温度、燃烧份额）以及分解炉配风条件等因素的影响。验证结果表明，原位还原脱硝技术用于燃煤水泥窑炉脱硝是完全可行的，而且具有良好的脱硝效果。
2.3 工程示范应用效果
基于中试验证结果，原位还原脱硝技术在宁夏某燃煤水泥窑炉生产线上获得了工程示范应用。该水泥窑炉设计熟料产量2 500 t/d，实际产量2 900 t/d左右，采用五级悬浮预热和窑外预分解工艺，采用SNCR脱硝技术，氨水喷洒位置位于分解炉出口与C5进口之间的烟道上。图3所示为2 500 t/d水泥窑炉低NOx技术示范工程概貌。
在示范工程投运期间，委托水泥行业权威检测机构对水泥窑炉氮氧化物实时排放情况进行了第三方测试，图4所示为示范工程投运情况下4 h内NOx排放浓度测试情况，图中数据为根据10% O2的折算值。测试期间，喷氨量稳定在250 L/h左右（同等规模水泥窑炉的喷氨量一般控制在400~500 L/h）。从图示数据可以看出，大部分时间内NOx排放浓度较为平稳，波动幅度很小，测试期间NOx排放的平均值为80 mg/m3，实现了NOx超低排放。鉴于现场实施条件的限制，原位还原技术尚有很大的优化空间，其脱硝能力还可以得到进一步提升，这也是研发团队未来的研究重点。
测试期间，对水泥熟料生产的煤耗数据进行了记录，示范工程投运前的平均煤耗约144.6 kg/t熟料，投运期间的平均煤耗约为141.5 kg/t熟料，原位还原脱硝技术并不会增加水泥熟料生产煤耗。
3 结论
（1）水泥工业NOx超低排放势在必行，原位还原低氮技术中试结果表明，该技术可以显著降低氮氧化物排放，试验条件下的脱硝效率可达60%~80%。
（2）2 500 t/d水泥窑炉应用原位还原脱硝技术后，在较少喷氨量及煤耗略降低的条件下，NOx排放达到80 mg/m3，实现了水泥窑炉NOx超低排放。
（3）原位还原脱硝技术可以显著降低燃煤水泥窑炉氮氧化物排放，为水泥工业实现超低排放提供了一条新的技术路径。
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