技術(shù) | 水泥窯爐NOx原位還原超低排放技術(shù)及示范
摘要：針對(duì)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(chǎng)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(cè)試結(jié)果表明,，在較少?lài)姲绷亢兔汉穆越档蜅l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(guó)是水泥生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)顯示,，2019年全國(guó)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(guò)了這一水平,，達(dá)到23.77億t,。水泥工業(yè)雖然支撐了我國(guó)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(guó)水泥工業(yè)NOx年排放量超過(guò)百萬(wàn)噸,，占到全國(guó)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(lèi)健康。實(shí)現(xiàn)水泥窯爐超低NOx排放,，是我國(guó)當(dāng)前和今后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)面臨的重大戰(zhàn)略需求和緊迫任務(wù),，對(duì)于我國(guó)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(guó)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(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力,，一些地方省市地區(qū)針對(duì)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(guó)水泥產(chǎn)量基數(shù)巨大,，雖然國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的高速發(fā)展,，污染物減排方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但每年排放的污染物總量仍然巨大,，對(duì)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(jí)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(chǎng)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(jí)燃燒技術(shù)
分級(jí)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(jí)多點(diǎn)配送,，在保證燃料燃燒效率的前提下盡可能多的營(yíng)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(lái)自回轉(zhuǎn)窯的NOx還原成N2,，以達(dá)到NOx減排目的。對(duì)于干法水泥生產(chǎn)工藝而言,，分級(jí)燃燒是較為經(jīng)濟(jì)的NOx減排方法,。單獨(dú)應(yīng)用分級(jí)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(jí)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(mǎn)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(lèi)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(guó)外方面，早在2000年,，德國(guó)的Solnhofen水泥廠(chǎng)就安裝了歐洲第一套SCR脫硝裝置,，不過(guò)在2005年已停用，目前尚在運(yùn)行的SCR脫硝水泥生產(chǎn)線(xiàn)有意大利的Monselice,、Sarche和Rezzato，德國(guó)的Mergelstetten和Ronhrdorf,，奧地利的Mannersdorf和Kirchdorfer,，以及美國(guó)Joppa 水泥廠(chǎng)的8條生產(chǎn)線(xiàn)。國(guó)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(guò)投資成本相對(duì)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(duì)應(yīng)的水泥生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)正好處于一級(jí)預(yù)熱器（C1）出口位置,，該處煙氣含塵量極高,，對(duì)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(guó)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(kāi)C1出口的高塵環(huán)境，其中清華大學(xué)李俊華教授和中國(guó)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(guó)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(zhǎng)興南方水泥,，均為5 000 t/d生產(chǎn)線(xiàn)），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(chǎng)優(yōu)化技術(shù)
優(yōu)化分解爐內(nèi)的燃燒和流場(chǎng)分布，是降低NOx排放的另一條技術(shù)途徑,。國(guó)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(duì)分解爐內(nèi)的流場(chǎng)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(kāi)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(guò)程,，多場(chǎng)耦合且具有較高固氣比的特點(diǎn)，給分解爐內(nèi)的流場(chǎng)優(yōu)化研究帶來(lái)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(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用有限，而且通過(guò)優(yōu)化分解爐內(nèi)的燃燒和流場(chǎng)帶來(lái)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(guó)科學(xué)院潔凈能源A類(lèi)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的資助下,，中國(guó)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(duì)水泥窯爐現(xiàn)有脫硝技術(shù)面臨的問(wèn)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(duì)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(duì)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(guò)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)猓瑴p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(duì)窯氣中的高濃度NOx進(jìn)行強(qiáng)還原。該技術(shù)對(duì)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(shì),，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(duì)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(jiàn)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(cè)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(guò)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(guò)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(guò)程中，參照實(shí)際回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣溫度和NO濃度,，通過(guò)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(cè)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(xiàn)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(jí)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(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)水泥窯爐氮氧化物實(shí)時(shí)排放情況進(jìn)行了第三方測(cè)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(cè)試情況,，圖中數(shù)據(jù)為根據(jù)10% O2的折算值。測(cè)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(cè)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(chǎng)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(lái)的研究重點(diǎn),。
測(cè)試期間,，對(duì)水泥熟料生產(chǎn)的煤耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，示范工程投運(yùn)前的平均煤耗約144.6 kg/t熟料,，投運(yùn)期間的平均煤耗約為141.5 kg/t熟料,，原位還原脫硝技術(shù)并不會(huì)增加水泥熟料生產(chǎn)煤耗。
3 結(jié)論
（1）水泥工業(yè)NOx超低排放勢(shì)在必行,，原位還原低氮技術(shù)中試結(jié)果表明,，該技術(shù)可以顯著降低氮氧化物排放，試驗(yàn)條件下的脫硝效率可達(dá)60%~80%,。
（2）2 500 t/d水泥窯爐應(yīng)用原位還原脫硝技術(shù)后,，在較少?lài)姲绷考懊汉穆越档偷臈l件下，NOx排放達(dá)到80 mg/m3,，實(shí)現(xiàn)了水泥窯爐NOx超低排放,。
（3）原位還原脫硝技術(shù)可以顯著降低燃煤水泥窯爐氮氧化物排放，為水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)超低排放提供了一條新的技術(shù)路徑,。
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