我國水泥廠脫硝技術（SCR SNCR）
作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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我國水泥廠脫硝技術（SCRSNCR） 摘要：本文簡要介紹了水泥廠氮氧化物的生成機理。重點介紹了水泥廠常用的SNCR和SCR脫硝技術，對各自的技術特點進行了闡述。同時對SNCR＋SCR聯合脫硝技術在水泥廠的應用前景進行了分析
我國水泥廠脫硝技術（SCR SNCR）
摘要：本文簡要介紹了水泥廠氮氧化物的生成機理。重點介紹了水泥廠常用的SNCR和SCR脫硝技術，對各自的技術特點進行了闡述。同時對SNCR＋SCR聯合脫硝技術在水泥廠的應用前景進行了分析。
關鍵詞：水泥廠 SCR脫硝技術 SNCR脫硝技術 水泥廠聯合脫硝技術
1 前言
“十二五”期間，國家將加大對氮氧化物的排放控制。“十二五”期間我國氮氧化物排放總量要達到減排10％的目標。這就需要加大對電力、水泥、冶金等行業產生的氮氧化物進行控制。水水泥行業氮氧化物的排放量占全國工業排放總量的15%左右,已是居火力發電、汽車尾氣之后的第三大氮氧化物排放大戶。工信部582號文件關于水泥工業節能減排的指導意見，提出了具體的量化目標:到“十二五”末，氮氧化物在2009年的基礎上降低25%。同時指出，新建或改擴建水泥（孰料）生產線項目必須配置脫硝裝置。且脫硝效率不低于60%。因此，探討水泥行業最佳可行的脫硝技術顯得尤為迫切。
回轉窯是新型干法水泥物料燒成的關鍵技術裝備，也是NOx的主要來源。煅燒水泥熟料時生成一氧化氮NO的途徑主要有四種，即第一種熱力NOx，它是燃料在水泥窯頭1400℃以上燃燒時會產生大量NOx；第二種瞬發NOx，它是有碳氫根存在時，于火焰前端瞬發形成的NOx，一般這種瞬發NO生成量的比例很小；第三種燃料NO，它是由燃料中所含的化學接合氮所產生的。因為燃料中氮原子的接合能較小，所以在水泥窯系統相對較低溫的分解爐內產生的燃料NOx較多；第四種生料NOx，它是由窯喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx。在窯廢氣中NO2一般僅占NO+NO2總量的5％以下，NO則占總量的95％以上。國內運行的干法水泥窯NOx排放濃度大約在900～1700mg/Nm3 左右。
在我國，新型干法水泥回轉窯上常用的NOx控制技術主要有以下幾種：一是優化窯和分解爐的燃燒制度；二是改變配料方案，摻用礦化劑以求降低熟料燒成溫度和時間，改進熟料易燒性；三是采用低NOx的燃燒器；四是在窯尾分解爐和管道中的階段燃燒技術。然而，即使把上述四種措施全部采用起來，事實上水泥窯的NOx排放也很難達到400mg／Nm3以下。采用選擇性非催化還原（SNCR）脫硝法或選擇性催化還原（SCR）脫硝法進一步降低NOx排放的措施是一個非常有效的降低NOx排放的途徑。本文主要討論關于SNCR和SCR脫硝技術在水泥廠的運用。
2 水泥爐窯選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝技術
2.1 工藝流程
選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝技術是在沒有催化劑的條件下，在950～1050℃的溫度范圍內，把還原劑（氨氣或尿素）噴入水泥爐窯內，還原劑與爐窯中的氮氧化物（主要是一氧化氮和二氧化氮）發生化學反應，生成氮氣和水，從而減少煙氣中氮氧化物的排放。
在分解爐或爐膛的中下部噴入還原劑尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH) ,在有部分氧存在的條件下,發生以下反應過程。
4NH3 + 4NO + O2 →4N2 + 6H2O (1)
溫度進一步升高,則可能發生以下的反應:
4NH3 + 5O2 →4NO + 6H2O (2)
當溫度低于800℃時,NH3與NO的反應速度很慢；當溫度高于1100℃時反應式(2)會逐漸起主導作用,當溫度高于1300℃時NH3轉變為NO的趨勢會變得明顯。
1) 尿素供應站
尿素存儲系統、尿素溶液配制系統和尿素溶液儲存系統集中布置, 共同組成尿素供應站。尿素站主要設備包括:干尿素儲倉,計量倉,螺旋輸送機,配液池,尿素溶液儲罐,尿素溶液輸送泵和水加壓泵。在尿素站內, 完成尿素儲存、尿素溶液配制的任務, 泵送到爐前噴射系統。
2)爐前噴射系統
爐前噴射系統由N層噴射層組成, 每層由M個噴射器組成。N層噴射層布置在爐窯適當的位置, 以適應爐窯煙氣溫度變化, 使尿素溶液在最佳反應溫度窗口噴入爐窯內。每層噴射層都設有總閥門控制本噴射層是否投運, 不投運的噴射槍則由氣動推進器帶動退出爐窯膛避免高溫受熱。各噴射層的尿素管道和霧化蒸汽管道上均設有調節閥門, 控制噴射層的流量。
3)自動控制系統
自動控制系統采用獨立的可編程序邏輯控制器(PLC), 系統單獨設置 1臺工程師站 (兼操作員站), 預留OPC 通信接口與電廠分散控制系統 (DCS)通信; 系統設有必要的報表、查詢和報警等功能。控制系統根據采集的相關信號, 控制、調節主要設備運行情況和噴槍運行情況, 實現高效脫硝。
2.2 關鍵技術問題
SNCR技術的關鍵是：還原劑噴射在合適的溫度窗口，以及噴入的還原劑與煙氣中NOX的充分混合，從而實現較高的脫硝效率，降低還原劑的耗量和尾部氨的逃逸量。
1）噴嘴位置的確定
確定噴嘴位置主要考慮爐窯內部的氣體溫度,尿素還原 NOx 反應的適宜溫度為 950℃～1050℃。噴嘴的位置選擇是否合適，直接決定了SNCR的脫硝效率的高低。噴嘴位置的選擇是整個SNCR系統最關鍵的地方。
選擇合適的噴嘴位置，主要通過兩種途徑來實現：
CFD流場模擬，來確定最佳噴射點；
通過紅外線現場測試爐窯內溫度分布，確定噴射位置。
2）尿素溶液的霧化要求
尿素溶液噴入到爐窯后，要求尿素與 NOx 必須在很短的時間內完成反應 ,否則尿素就會流動到較低的溫度區域 ,明顯降低尿素還原 NOx的反應程度。為了使尿素與NOx 的反應在很短的時間內完成 ,必須對尿素溶液進行良好的霧化。對尿素溶液進行良好的霧化 ,必須選擇噴嘴的結構和噴嘴處的液體、氣體壓力和流量。噴嘴處的液體壓力一般為0.4MPa，噴嘴處的氣體壓力一般為0.3MPa。
3）噴嘴的結構和材質
噴嘴的質量是尿素添加設備的技術關鍵,噴嘴的結構設計應該首先保證使尿素溶液具有良好的霧化效果,其次應考慮噴嘴本身處于高溫部位,應具有良好的耐熱性能,不易燒損。
2.3 水泥爐窯SNCR脫硝技術需要注意的幾個問題
1）目前國內一般沒有現成的50%尿素溶液采購，所以需從化肥廠買來袋裝尿素自行配制成尿素溶液。由于尿素的溶解過程是吸熱反應，在尿素溶液配制過程中需配置功率強大的熱源，以防尿素溶解后的再結晶。在北方寒冷地區的氣象條件下，該問題將會暴露的更明顯。
2）在整個SNCR脫硝工藝中，尿素溶液總是處于被加熱狀態。若尿素的溶解水和稀釋水（一般為工業水）的硬度過高，在加熱過程中水中的鈣、鎂離子析出會造成脫硝系統的管路結垢、堵塞。因此，必須在尿素中添加阻垢劑或采用除鹽水作為脫硝工藝水。
3）由于噴嘴噴射器工作在爐窯內部高溫區，為防止噴射器冷卻水管路內部結垢，需采用除鹽水作為多噴嘴噴射器冷卻水。
4）在SNCR脫硝工藝中，廠用氣的耗量也是較大的。噴射霧化、設備冷卻需、管路吹掃都需要廠用氣。
3 水泥爐窯選擇性催化還原（SCR）脫硝技術
3.1 SCR 降低NOx原理
選擇性催化還原法（SCR）是利用還原劑在催化劑作用下有選擇性地與爐窯中的氮氧化物（主要是一氧化氮和二氧化氮）發生化學反應，生成氮氣和水，從而減少煙氣中氮氧化物排放的一種脫硝工藝。
運用SNCR脫硝技術，確保水泥窯NOx的排放穩定在800mg／Nm3，是可以比較可靠的實現。但要達到400 mg／Nm3以下甚至更低，單獨依靠SNCR已不能穩定可靠地實現，必須和SCR脫硝技術結合起來。SCR脫硝技術的原理如下：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O
NO2+NO+2NH3→2N2+3H2O
3.2 工藝流程
在窯尾預熱器和增濕塔之間增設一個SCR反應塔，將預熱器的廢氣由該反應塔上部導入，與噴入塔內的氨水或尿素等還原劑相混合，借助反應塔內多層催化劑的催化作用，確保脫氮反應更充分地完成，催化劑由V2O5、W2O3等活性組分制成的。
SCR脫硝工藝裝置的主要組成部分包括一個SCR反應器、一個儲罐及一個還原劑注入系統。還原劑即可是帶壓的無水液氨, 也可是常壓下的氨水溶液(通常重量濃度為25%)。當采用氨水或尿素溶液時,通常將其通過位于導管或滑流的霧化噴嘴直接注入到煙氣通道中。無水液氨的儲存壓力取決于儲罐的溫度。液氨通過蒸發器中的蒸汽、熱水或電被蒸發。然后, 蒸發的氨氣經空氣稀釋, 通過注入系統被注入到煙氣中。注入系統有許多注射噴嘴組成,使氨和煙氣均勻分布。另一方面, 在噴嘴數量較少的情況下, 可以結合一個靜態混合器一起使用。氨氣在煙氣內的均勻分布對于實現NOX的有效還原、較低的氨逸出量以及由此達到催化劑的有效利用都十分重要。
考慮到脫硝催化劑的投資成本較高，水泥爐窯很少單獨依靠SCR來實現對氮氧化物的控制。在要求較低的排放濃度的情況下，一般采取把SCR與SNCR結合起來的聯合脫硝技術。
3.3水泥爐窯SCR脫硝工藝需要注意的問題
1）高粉塵濃度對催化劑的影響大
水泥爐窯尾部的粉塵含量可高達80～100g/Nm3，易造成催化劑孔隙堵塞，使系統壓降迅速增加，給引風機的正常運行造成嚴重威脅，從而影響水泥爐窯生產線長期穩定運行。
水泥爐窯SCR脫硝工藝對催化劑的堵塞和磨損，提出了更高的要求。
2）催化劑中毒問題
水泥爐窯煙氣中鈉 、鉀等水溶性堿金屬化合物易與催化劑中的V2O5反應導致催化劑中毒，從而降低催化劑的活性。同時，水泥爐窯煙氣中的CaO含量較高，易于SO3反應生成CaSO4，覆蓋催化劑的表面，降低催化劑的活性。
水泥爐窯SCR脫硝系統中，由于煙氣中堿性金屬氧化物含量較高，要特別注意催化劑的中毒問題。
4 水泥爐窯SNCR+SCR聯合脫硝技術
4.1 SNCR+SCR聯合脫硝的特點
1）催化劑用量小
SCR工藝由于催化劑非常昂貴，使得SCR系統的投資很大。并且由于需要定期更換，運行費用也很高。SNCR+SCR聯合脫硝工藝由于首先采用了SNCR工藝初步脫硝，脫硝效率可以達到40%甚至更高，降低了對催化劑的依賴。與SCR工藝相比，混合工藝的催化劑用量可以大大減少。
2）SCR反應塔體積小，空間適應性強
由于聯合脫硝工藝催化劑用量少，通過對煙道、擴展煙道等進行改造來布置SCR反應器，大大縮短了反應器上游煙道長度。它與單一的SCR工藝相比，不需要復雜的鋼結構，節省了投資且不受場地的限制。
3）脫硝系統阻力小
由于聯合脫硝工藝的催化劑用量少，SCR反應器體積小，其前部煙道較短因此，與傳統SCR工藝相比，系統壓降將大大減小，減少了引風機改造的工作量，降低了運行費用。
4）減少SO2向SO3的轉化，降低腐蝕危害
催化劑的使用雖然有助于提高脫硝效率，但也存在增強SO2向SO3轉化的副作用，而煙氣中的SO3含量的增加，將生成更多的NH4HSO4。NH4HSO4的黏結性很強，在煙氣溫度較低時，會堵塞催化劑并對下游設備造成腐蝕。聯合脫硝技術由于減少了催化劑的用量，將使這一問題得到一定程度的遏制。
5）簡化還原劑噴射系統
為了為了獲得高效脫硝反應，要求噴入的氨與煙氣中的NOX有良好的接觸并要求在催化反應器前形成分布均勻的流場、濃度場和溫度場，為此，單一的SCR工藝除必須設置復雜的氨噴射格柵（AIG）及其控制系統外，還往往需要在多處安放摻混設施、加長煙道以保證AIG與催化劑之間有足夠遠的距離等措施，以達到上述要求。而混合工藝的還原劑噴射系統布置在鍋爐爐墻上，與下游的SCR反應器距離很遠，因此，無需再加裝混合設施，也無需加長煙道，就可以在催化劑反應器入口獲得良好還原劑與NOX的混合及分布。
5 小結
1）從世界范圍來看，已實施的水泥廠脫硝工程，幾乎全部采用SNCR脫硝技術。SNCR脫硝是目前水泥行業脫硝的主流技術。
2）SNCR法的脫硝的效率為50%～60% ,低于選擇性催化還原法(SCR)脫硝的效率(80%～90%),而SNCR法的費用只有SCR 法的五分之一左右。
3）SCR脫硝技術可以有效地控制氮氧化物的排放，可以保證爐窯煙氣的NOX排放濃度降到100～200mg/Nm3。但SCR需要使用和消耗價格昂貴的貴金屬催化劑,且由于水泥企業廢氣的粉塵濃度很高,堿金屬含量較高，易使催化劑中毒和堵塞。SCR脫硝技術在水泥工業上的實踐才剛剛開始，還有諸多改進的空間。
4）隨著水泥行業的發展和環保標準要求的不斷提高, SNCR和SCR脫硝將會得到廣泛的運用。
參考文獻
【1】范海燕等 水泥廠脫硝技術探討 第十五屆二氧化硫、氮氧化物、汞、細顆粒物污染控制技術國際研討會論文集 浙江省環境保護科學設計研究院 2011.4
【2】工業和信息部關于水泥工業節能減排的指導意見 工信部節【2010】582號 2010.11
【3】Bill Neuffer,Mike Laney. Iternative control techniques document update-NOX emissions from new cement kilns. EPA-453/R-07-006
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