长三角地区水泥行业氮氧化物超低排放治理实例研究

王永峰

(无锡市智慧环保技术监测研究院有限公司，江苏 无锡 214000)

1 引言

水泥作为基础建设材料，在国民经济发展和城市、新农村基础建设活动中扮演着重要的角色。水泥制造过程产生的NOx对大气环境造成严重污染，水泥行业亦被列入大气污染防治重点管控行业。相关数据显示，我国2019年水泥产量约23.3亿吨，约396.1万吨NOx排入大气中，水泥行业已然成为可持续发展中大气污染贡献大户[1]。目前水泥行业脱硝技术主要有窑头低氮燃烧器、分级燃烧、选择性催化还原(SCR)和非选择性催化还原(SNCR)。低氮燃烧器无相关建设费用，运行维护成本低，但脱硝效率低且不稳定；分级燃烧投资较小，占地空间小，流程简单，运行维护成本低，但需停窑后安装且时间相对较长，脱硝效率易受煅烧系统工况影响；SCR脱硝效率最高，氨的逃逸量较低，但投资运行成本较高，系统催化剂易堵塞失效，此法在国内水泥行业应用实例较少；SNCR投资较小，技术成熟，脱硝效率高且易稳定控制，技术性价比较高，但使用氨水过程需采取安全防护措施，运行维护成本较高，增加一定熟料热耗[2]。其中SNCR相较于其他三种处理技术更具优势，被广泛用于水泥行业NOx处理。

近年来，国内部分省市相继制定了严于国家标准的地标，例如河南省NOx排放限值≤150mg/m3，长三角各省市NOx排放限值≤100mg/m3，河北省要求超低排放改造项目NOx排放≤50mg/m3。随着环境治理的不断深入，NOx排放管控持续加严，SNCR技术已渐渐显现其局限性，为满足各类政策要求，大部分企业通过增加氨水的喷入量来实现NOx的环保达标排放，增加水泥生产成本的同时造成氨气逃逸，形成二次污染。因此新型NOx治理技术的研究已成为水泥行业发展的关键。田力柱等[3]采用“SNCR+分级燃烧”复合脱硝处理技术，实现了氮氧化物浓度有效降低和氨水的用量减少；苑明华等[4]在SNCR基础上，结合独有的"PID+趋势"控制方法将窑尾系统的NOx排放浓度控制在100mg/m3以下；吕鹏等[5]采用新型饱和蒸汽低氨燃烧脱硝技术对SNCR进行技术改造，改造效果显著。

本文以长三角地区某水泥行业企业脱硝工程为例，该企业拥有一条2000t/d的新型干法水泥熟料生产线，具有生产熟料62万吨/年、水泥80万吨/年的生产能力。SNCR脱硝NOx考核≤100mg/Nm3，20%氨水用量在4.5kg/吨熟料左右，造成熟料成本增加。氨水中80%水在窑炉蒸发造成熟料生产煤耗增大，对后续生产设备、设施产生腐蚀，布袋除尘器阻力增大增加电耗。氨水消耗量增大，造成分解炉副筒结皮严重，大块结皮易造成下料管堵塞，NOx还原效率控制困难，经常出现小时超标情况。过量未反应的氨水随尾气排放，当生料粉磨系统运转不周时，氨逃逸现象尤为严重。企业综合考虑现有SNCR存在的问题以及行业NOx排放标准日益严格的趋势，采用饱和蒸汽低氨脱硝技术处理NOx后达标排放。

2 废气处理要求及工艺

2.1 废气处理要求

处理后NOx排放限值≤100mg/m3。

2.2 设计工艺流程

该企业采用的饱和蒸汽低氨脱硝技术的主要原理是在SNCR脱硝技术基础上，通过构建还原剂产生区，对水泥窑炉系统、预热系统、煤粉燃烧系统、三次风管、C4下料管、C4和C5上升烟道撒料盒及烟气脱硝系统进行整改优化，实现NOx高效还原和氨水用量的削减。

(1)NOx还原区原理。饱和蒸汽和煤粉一起喷入还原剂产生区，饱和蒸汽侵入灼热碳晶体结构矩阵，在水泥热生料调节还原区温度和催化的作用下，C与水蒸气反应生成CO+H2及C(O)+·OH，随后C(O)分解生成CO和·OH，煤挥发分高温下析出CH4、HCN等，CO、CH4、H2、HCN等还原剂与NOx反应生成N2[5]。此外，少量的固定碳在缺氧条件下与NO反应生成N2，抑制自身燃料型NOx的产生，可减少60%～100%的氨水用量[6]。

(2)改造要点。贫氧燃烧器采用四角切圆的方式将饱和蒸汽与煤粉喷入还原剂产生区，充分延长还原时间，使窑内NOx得到有效还原；三次风管上移至适合的高度，足够的距离有利于还原区的形成，确保NOx被还原的时间，使NOx快速还原生成N2；对C4A、C4B粉料管进行改造，有利于将还原区温度控制在1100℃以内，确保锥体不结皮，热生料分解产生的CaO可催化还原窑炉内NOx；对烟室缩口进行优化改造，增加窑内通风面积，提高水泥窑产量[7]。

(3)技术优势。提高窑内热力型NOx还原率的同时，抑制燃料型NOx的生成，从源头有效降低NOx的产生；对SNCR运行无负面影响，减少氨水消耗，降低运行成本，降低热耗，减少对后续余热发电系统、生料制备系统、废气处理系统设备的腐蚀，降低了除尘器糊袋概率，减少氨逃逸；对熟料生产线运行无负面影响，工况系统稳定，产品质量正常，提高水泥窑产量；分解炉锥体副筒锥体不结皮，下料管保持通畅，NOx还原效率稳定。

3 工程运行分析

3.1 运行效果分析

分别对技改前和技改后窑尾NOx浓度进行检测，检测结果分别如表1和表2所示。由检测结果可知，实施饱和蒸汽低氨脱硝改造后，窑尾NOx排放浓度由原200mg/m3左右降低至100mg/m3左右，NOx排放浓度平均降低64.6%，脱硝效率得到进一步提升，可实现窑尾总NOx超低浓度排放。

表1 技改前窑尾NOx在线监测数据

表2 技改后窑尾NOx监测数据

3.2 经济效益分析

(1)节约氨水用量

SNCR脱硝系统主要用20%浓度的氨水作为还原剂，氨水采购价格约630元/t。技改前氨水年消耗量为2089t，技改后年均消耗氨水510t，年均节约氨水1579t，节约氨水成本99.48万元。

(2)节煤效益

在890℃～900℃分解炉出口，氨水中80%的水分被汽化，1kg水气化需要吸收热量2258.77kJ，约0.1825kg标准煤。技改后，该企业年均节约氨水1339t，相应节约标准煤195.5t，年节约费用19.16万元。

综上，实施饱和蒸汽低氨脱硝改造后，该企业可年均减少氨水用量1579t，节约标准煤195.5t，共计节约成本约118.64万元/年。

4 结论

为有效提高NOx去除效率，节约运行成本，该企业在原SNCR脱硝技术基础上，通过构建还原剂生产区，对水泥窑炉系统、预热系统、煤粉燃烧系统、三次风管、C4下料管、C4和C5上升烟道撒料盒及烟气脱硝系统进行整改优化，采用蒸汽低氨脱硝技术处理NOx。结果表明，采用上述工艺既能促进NOx还原、从源头有效降低NOx的产生，又能减少氨水用量，降低成本。工程实例证明，该处理技术可实现NOx超低排放，节约运行成本。