水泥窑烟气脱硝技术现状及展望

水泥窑烟气脱硝技术现状及展望水泥窑烟气脱硝技术现状及展望摘要：摘要：近年来，国家对水泥脱硝减排的要求越来越严格，现有条件下的烟气脱硝治理迫在眉睫。结合水泥窑NOx的来源和现有水泥窑脱硝技术及其运行效果，介绍国内外水泥窑SCR脱硝工艺布置形式及其应用现状，展望未来水泥窑烟气脱硝技术的源头治理、过程控制和末端治理的三个发展方向与可作重点开发的几种新技术。1前言前言我国是水泥制造和使用大国，近几年来，水泥年产量在23~24亿吨。新型干法水泥生产过程中使用煤作为燃料，排放的烟气含尘量大，组分复杂，主要对环境有危害的是SO2、SO3、NOx、CO2、CO和飘尘。其中，NOx对人体危害最大，又严重污染环境。2013年12月，国家环境保护局公布了GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》，NOx排放标准由400mg/m3（标）降至320mg/m3（标）。随着国家对污染物排放标准要求越来越严格，水泥企业脱硝减排压力越来越大。2水泥窑水泥窑NOx来源及减排趋势来源及减排趋势在水泥生产过程中产生NOx的来源主要有两个：在温度区间为500℃~1500℃时，分解炉和回转窑中产生燃料型NOx，大约占全部NOx的75％~95％；温度＞1200℃时在回转窑内生成热力型NOx。全国水泥行业氮氧化物年排放量约为200万吨，污染物治理已经受到了国家环保部门的重视与水泥企业的关注。在国家实行水泥错峰生产政策影响下，水泥价格上涨。目前已有部分企业因NOx排放不达标被停产，经济损失巨大。水泥企业在氮氧化物减排方面急需寻求出路。3现有水泥窑脱硝技术现有水泥窑脱硝技术低氮燃烧、分级燃烧、选择性非催化还原（SNCR）等炉内脱硝技术、选择性催化还原（SCR）炉外脱硝技术以及多种技术的结合或技术改造升级衍生的新技术均可减少NOx的排放。水泥生产线常用脱硝技术路线如图1所示。低氮燃烧运行成本低，技术成熟度很高，脱硝效率30%~40%。分级燃烧投资少，脱硝效率一般为20%~30%，但分级燃烧并不是对所有炉膛都适用，有可能引起炉内腐蚀和结渣，降低燃烧效率。SNCR技术系统简单，占地面积小，维护成本较低，脱硝效率为40%~60%。目前，国内几乎所有水泥厂都已安装了SNCR脱硝装置，NOx的排放基本低于400mg/m3（标），初步得到了控制。SCR脱硝原理如图2所示，其脱硝效率一般＞85%，能达到目前最严格的环保标准，且同时脱除二恶英、呋喃、多环烃等多种污染物。SCR在燃煤电厂有广泛应用，在水泥厂使用较少。根据国内外环保专家多年经验，水泥工业要达到NOx≤200mg/m3（标）的排放标准，未来甚至是更严格的NOx≤50mg/m3（标）的超低排放标准，选用SCR脱硝技术将是必经之路。4国内外水泥工业国内外水泥工业SCR脱硝现状脱硝现状欧美国家水泥窑炉SCR脱硝的研究工作开展较早。德国Solnhofer水泥厂于2001年建成世界上第一套SCR脱硝装置并投产。该厂SCR系统布置在预热器后，反应烟气温度为320℃~340℃，氨逃逸量＜1mg/m3（标），脱硝效率＞80%，稳定运行时间达40000h，超过预期使用寿命2年。瑞士ELEX公司2004年至2018年间，在欧美地区共建成8套水泥SCR脱硝装置，其中7套采用高尘布置，SCR系统布置在预热器C1出口；1套采用中尘布置，SCR系统布置在电除尘器烟气出口后。8套SCR脱硝装置运行情况见表1。由表1可明显看出，高尘布置占有率为87.5%，所有装置实际运行脱硝效率均＞71.4%，其中德国Mergelstetten水泥厂SCR装置初始脱硝效率高达92%，氨逃逸量＜5mg/m3（标）。目前，国内水泥工业SCR反应器的布置主要有4种方式，分别是高温高尘布置、高温中尘布置、中温中尘布置、低温低尘布置。四种工艺布置形式如图3所示。高温高尘布置应用最广，江苏中建材研究院设计的工艺通常将SCR反应器布置在预热器C1出口，出口烟气温度约为300℃~350℃，经过沉降室预除尘后进行脱硝反应，脱硝后净气温度约为250℃，由外引风机引出至SP余热锅炉进行余热发电。这个温度区段的催化剂研制最为成熟，有利于还原反应的进行，但存在烟气含尘量大对催化剂造成磨损与阻塞等缺点。高温中尘布置是在高温高尘的基础上，烟气经过预除尘再通过电除尘器后进行脱硝反应。此种方式虽可有效改善尘粒对催化剂的磨损，但面临设计要求高、水泥厂空间受限等问题。合肥水泥研究设计院有限公司采用SCR反应器中温中尘布置，在窑尾余热发电锅炉去高温风机出口处取200℃左右的烟气，经旋风收尘装置后进行脱硝反应，收尘装置如图3蓝色框图所示。此种方式虽降低了建设成本，但仍无法完全避免烟尘造成催化剂的物理损伤。水泥工业现有的低温低尘布置通常将SCR反应器置于袋式除尘装置后，袋除尘器出口烟气温度＜150℃，而钒钛基催化剂