技術(shù) | 水泥窯爐NOx原位還原超低排放技術(shù)及示范

更新時(shí)間：2021-06-21 10:27 來源：水泥作者: 蔡軍等閱讀：3401

摘要：針對水泥窯爐氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，本文創(chuàng)新性提出了適用于燃煤水泥窯爐的原位還原脫硝技術(shù)，該技術(shù)具有脫硝效率高、成本低、環(huán)保兼容性好、工程現(xiàn)場易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。中試驗(yàn)證結(jié)果顯示：原位還原脫硝技術(shù)的脫硝效率可達(dá)到60%~80%。在此基礎(chǔ)上，原位還原脫硝技術(shù)在2 500 t/d水泥窯爐上進(jìn)行了工程示范應(yīng)用。第三方測試結(jié)果表明，在較少噴氨量和煤耗略降低條件下，水泥窯爐氮氧化物排放達(dá)到80 mg/m3。中試與工程示范結(jié)果表明，原位還原脫硝技術(shù)用于燃煤水泥窯爐氮氧化物減排是可行的，該技術(shù)的提出為水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)超低排放提供了一條新的技術(shù)途徑。

我國是水泥生產(chǎn)和消費(fèi)大國，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)顯示，2019年全國累計(jì)水泥產(chǎn)量23.3億t，而最新數(shù)據(jù)顯示2020年的水泥產(chǎn)量超過了這一水平，達(dá)到23.77億t。水泥工業(yè)雖然支撐了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但是煅燒水泥熟料的工業(yè)窯爐同時(shí)也是環(huán)境污染的重要源頭。目前，我國水泥工業(yè)NOx年排放量超過百萬噸，占到全國年排放總量的10%~12% [1]，已成為繼熱力發(fā)電和交通運(yùn)輸之后的第三大NOx排放源，是引起霧霾天氣的主要成因之一，嚴(yán)重危害大氣環(huán)境和人類健康。實(shí)現(xiàn)水泥窯爐超低NOx排放，是我國當(dāng)前和今后很長一段時(shí)期內(nèi)面臨的重大戰(zhàn)略需求和緊迫任務(wù)，對于我國大氣污染綜合治理和打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)都具有重要戰(zhàn)略意義。

我國現(xiàn)行水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般地區(qū)NOx排放不高于400mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)NOx排放不高于320mg/m3。然而，面對日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力，一些地方省市地區(qū)針對水泥窯爐相繼出臺(tái)了更高的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，例如，河南省和江蘇省將標(biāo)準(zhǔn)提高到了100 mg/m3，河北唐山更是提高到了50 mg/m3。我國水泥產(chǎn)量基數(shù)巨大，雖然國內(nèi)水泥行業(yè)經(jīng)過幾十年的高速發(fā)展，污染物減排方面取得了長足的進(jìn)步，但每年排放的污染物總量仍然巨大，對環(huán)境造成較大壓力，要求水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)潔凈生產(chǎn)和超低排放的呼聲越發(fā)高漲。NOx的減排任重道遠(yuǎn)。

1 水泥工業(yè)脫硝技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

水泥窯爐常采用的脫硝技術(shù)包括低氮燃燒器、分級燃燒、選擇性非催化還原（Selective Non-catalytic Reduction，SNCR）、選擇性催化還原（Selective catalytic Reduction，SCR）、燃燒和流場優(yōu)化等技術(shù)。

1.1 低氮燃燒器

低氮燃燒器已在水泥行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但主要用于回轉(zhuǎn)窯。由于回轉(zhuǎn)窯固有的高溫煅燒工藝，加之回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工況多變，其脫硝效率僅為10%左右。

1.2 分級燃燒技術(shù)

分級燃燒技術(shù)，是將分解爐所用煤粉燃料或者燃燒所用空氣進(jìn)行分級多點(diǎn)配送，在保證燃料燃燒效率的前提下盡可能多的營造出還原性氣氛區(qū)域，一方面降低NOx的生成，另一方面將來自回轉(zhuǎn)窯的NOx還原成N2，以達(dá)到NOx減排目的。對于干法水泥生產(chǎn)工藝而言，分級燃燒是較為經(jīng)濟(jì)的NOx減排方法。單獨(dú)應(yīng)用分級燃燒技術(shù)時(shí)的脫硝效率僅為15%~20%。

1.3 SNCR脫硝技術(shù)

SNCR是目前水泥窯爐普遍采用的一種脫硝技術(shù)，受制于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，脫硝效率在50%左右，主要采用向分解爐或者分解爐出口煙道噴灑氨水或者尿素的形式實(shí)現(xiàn)NOx的還原，由于其有效運(yùn)行溫度在850~1 100 ℃范圍內(nèi)，因此噴灑位置只能位于分解爐或者分解爐出口與末級旋風(fēng)筒入口之間的煙道上，極大限制了該技術(shù)在其他工藝環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。SNCR技術(shù)也很難適應(yīng)和滿足水泥工業(yè)日益嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保要求。

1.4 SCR脫硝技術(shù)

SCR技術(shù)脫硝原理與SNCR類似，由于催化劑的使用，其脫硝效率可提高至90%左右，大大減少了氨水用量，目前雖已在大型工業(yè)鍋爐以及電站鍋爐領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在水泥窯爐的應(yīng)用卻十分有限。國外方面，早在2000年，德國的Solnhofen水泥廠就安裝了歐洲第一套SCR脫硝裝置，不過在2005年已停用，目前尚在運(yùn)行的SCR脫硝水泥生產(chǎn)線有意大利的Monselice、Sarche和Rezzato，德國的Mergelstetten和Ronhrdorf，奧地利的Mannersdorf和Kirchdorfer，以及美國Joppa 水泥廠的8條生產(chǎn)線。國內(nèi)方面，首套SCR脫硝示范裝置于2018年10月在河南登封宏昌水泥公司建成，該示范裝置實(shí)現(xiàn)了低于50 mg/m3的NOx排放，不過投資成本相對較大。另外為了降低SCR反應(yīng)器規(guī)模，減少投資成本，前端仍然配備了SNCR系統(tǒng)，將進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣中的NOx濃度提前降至400 mg/m3。SCR技術(shù)目前常采用釩系催化劑，其反應(yīng)活性溫度在300~400 ℃之間，而這個(gè)溫度范圍對應(yīng)的水泥生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)正好處于一級預(yù)熱器（C1）出口位置，該處煙氣含塵量極高，對催化劑形成沖刷磨損且催化劑通道易被堵塞。與此同時(shí)，由于煙氣中含有堿金屬等復(fù)雜成分，容易引起催化劑中毒失活。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者都在致力于中低溫SCR催化劑的研發(fā)，以避開C1出口的高塵環(huán)境，其中清華大學(xué)李俊華教授和中國建筑材料科學(xué)研究總院的汪瀾教授在這方面取得了很好的研究進(jìn)展，各自在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下都建立了示范工程（河南登封宏昌水泥與浙江長興南方水泥，均為5 000 t/d生產(chǎn)線），如果所研發(fā)的催化劑能夠得到大規(guī)模商用，中低溫SCR脫硝技術(shù)將值得期待。

1.5 燃燒和流場優(yōu)化技術(shù)

優(yōu)化分解爐內(nèi)的燃燒和流場分布，是降低NOx排放的另一條技術(shù)途徑。國內(nèi)包括華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)以及北京航空航天大學(xué)等在內(nèi)的多家單位，對分解爐內(nèi)的流場組織和優(yōu)化[2]、氮氧化物釋放特性與生成機(jī)理[3]、以及氮氧化物還原特性[4]等展開了大量的研究工作，取得了很好的研究進(jìn)展。然而，由于水泥分解爐內(nèi)部環(huán)境非常復(fù)雜，涉及煤粉/煤焦/揮發(fā)分的燃燒、水泥生料（CaCO3）吸熱分解、氣固兩相流動(dòng)傳熱傳質(zhì)以及NOx還原等物理化學(xué)過程，多場耦合且具有較高固氣比的特點(diǎn)，給分解爐內(nèi)的流場優(yōu)化研究帶來了較大困難，研究結(jié)果往往不能真實(shí)反映爐內(nèi)實(shí)際情況，使得研究結(jié)論對實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用有限，而且通過優(yōu)化分解爐內(nèi)的燃燒和流場帶來的NOx減排收益也非常有限。

另外，還有熱炭催化還原技術(shù)，燃煤飽和蒸汽催化燃燒脫硝技術(shù)等。本文主要介紹筆者團(tuán)隊(duì)提出的原位還原脫硝技術(shù)的特點(diǎn)及效果。

2 原位還原脫硝技術(shù)

在中國科學(xué)院潔凈能源A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助下，中國科學(xué)院工程熱物理研究所循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)針對水泥窯爐現(xiàn)有脫硝技術(shù)面臨的問題，在不改變主要生產(chǎn)工藝流程的情況下，創(chuàng)新性提出了適用于燃煤水泥窯爐的原位還原脫硝技術(shù)[5]，下面對其技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)、可行性驗(yàn)證結(jié)果以及示范應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 技術(shù)原理與特點(diǎn)

原位還原脫硝技術(shù)原理如圖1所示。與原有工藝流程直接向分解爐給入冷煤粉相比，該方法利用還原爐對煤粉進(jìn)行預(yù)熱處理，原分解爐給煤改為從還原爐給入并進(jìn)行自持預(yù)熱，以獲得高溫氣固二元燃料（煤焦和煤氣），之后進(jìn)入分解爐內(nèi)燃燒，為水泥生料分解提供熱量。煤粉經(jīng)過預(yù)熱處理后，一方面，一部分燃料氮在還原爐中直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)�，減少了燃料型NOx的生成，實(shí)現(xiàn)分解爐煤燃燒NOx原位脫除；另一方面，獲得的高溫燃料與冷煤粉相比具有更強(qiáng)的還原性，進(jìn)入分解爐后，可對窯氣中的高濃度NOx進(jìn)行強(qiáng)還原。該技術(shù)對現(xiàn)行水泥生產(chǎn)工藝改動(dòng)較少，因而投資和運(yùn)行成本與現(xiàn)有技術(shù)相比具有較大優(yōu)勢，而采用獨(dú)特的煤粉預(yù)熱形式，更使得分解爐可以燃用劣質(zhì)煤和粗顆粒煤，拓展了分解爐的燃料適應(yīng)性，同時(shí)可以達(dá)到節(jié)能效果。

2.2 技術(shù)可行性驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對原位還原脫硝技術(shù)的可行性和有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證平臺(tái)示意見圖2。

試驗(yàn)平臺(tái)主要由還原爐、分解爐、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐、煙氣冷卻器、布袋除塵器、以及測控系統(tǒng)等組成。燃?xì)鉄犸L(fēng)爐用于產(chǎn)生高溫?zé)煔�，以模擬回轉(zhuǎn)窯窯尾出口窯氣，通過與高濃度NO氣體混合，可以調(diào)節(jié)窯氣中的NO濃度。煤粉經(jīng)過還原爐預(yù)處理后產(chǎn)生高溫氣固二元燃料，并進(jìn)入分解爐內(nèi)燃燒，為水泥生料分解提供熱量。還原爐處理煤量5 kg/h，分解爐高度7.5 m，分解爐溫度900 ℃，窯氣量與分解爐煙氣量按照實(shí)際回轉(zhuǎn)窯與分解爐給煤比例設(shè)計(jì)。試驗(yàn)過程中，參照實(shí)際回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣溫度和NO濃度，通過調(diào)節(jié)燃?xì)鉄犸L(fēng)爐參數(shù)和NO配氣流量，將模擬窯氣溫度控制在1 000 ℃左右，同時(shí)將模擬窯氣中NO濃度控制在1 200 ppm，待分解爐內(nèi)燃燒狀態(tài)完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測量分解爐出口煙氣的NOx濃度。試驗(yàn)結(jié)果顯示原位還原技術(shù)的脫硝效率在60%~80%[5]，且受到還原爐運(yùn)行條件（還原爐溫度、燃燒份額）以及分解爐配風(fēng)條件等因素的影響。驗(yàn)證結(jié)果表明，原位還原脫硝技術(shù)用于燃煤水泥窯爐脫硝是完全可行的，而且具有良好的脫硝效果。

2.3 工程示范應(yīng)用效果

基于中試驗(yàn)證結(jié)果，原位還原脫硝技術(shù)在寧夏某燃煤水泥窯爐生產(chǎn)線上獲得了工程示范應(yīng)用。該水泥窯爐設(shè)計(jì)熟料產(chǎn)量2 500 t/d，實(shí)際產(chǎn)量2 900 t/d左右，采用五級懸浮預(yù)熱和窯外預(yù)分解工藝，采用SNCR脫硝技術(shù)，氨水噴灑位置位于分解爐出口與C5進(jìn)口之間的煙道上。圖3所示為2 500 t/d水泥窯爐低NOx技術(shù)示范工程概貌。

在示范工程投運(yùn)期間，委托水泥行業(yè)權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)對水泥窯爐氮氧化物實(shí)時(shí)排放情況進(jìn)行了第三方測試，圖4所示為示范工程投運(yùn)情況下4 h內(nèi)NOx排放濃度測試情況，圖中數(shù)據(jù)為根據(jù)10% O2的折算值。測試期間，噴氨量穩(wěn)定在250 L/h左右（同等規(guī)模水泥窯爐的噴氨量一般控制在400~500 L/h）。從圖示數(shù)據(jù)可以看出，大部分時(shí)間內(nèi)NOx排放濃度較為平穩(wěn)，波動(dòng)幅度很小，測試期間NOx排放的平均值為80 mg/m3，實(shí)現(xiàn)了NOx超低排放。鑒于現(xiàn)場實(shí)施條件的限制，原位還原技術(shù)尚有很大的優(yōu)化空間，其脫硝能力還可以得到進(jìn)一步提升，這也是研發(fā)團(tuán)隊(duì)未來的研究重點(diǎn)。