水泥窑烟气特点及脱硝技术进展

我国水泥行业NOX排放量大，占全国NOX排放量的15-18%，随着NOX排放标准日益提高，水泥行业NOX深度减排势在必行，河北、安徽、河南、江苏等省份已要求水泥NOX排放指标在100mg/Nm³以内，山西要求在50mg/Nm³以内。。2020年，国家生态环境部[2020]340号函《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南》，全面推行重点行业差异化绩效分级管理，实行ABCD分级绩效分级，水泥行业A类企业要求NOx排放浓度收严至50mg/Nm3以下，氨逃逸小于5mg/m3以下。

1水泥窑烟气特点

水泥窑烟气特点如下：

水泥工业氮氧化物的排放主要为一氧化氮和二氧化氮的混合物，其中一氧化氮占95%左右。根据水泥生产过程中产生的氮氧化物类型划分，氮氧化物主要分为热力型氮氧化物、燃料型氮氧化物和瞬时型氮氧化物三类。其中，热力型氮氧化物占比最大；其次为燃料型氮氧化物；最小为瞬时型氮氧化物，可以忽略不计。研究表明，氮氧化物与碳氢化合物混合时，在阳光照射下可以产生酸雨、光化学烟雾，造成严重空气污染，对人体健康、建筑物和生产设施等带来严重危害。

（1）粉尘含量高，烟尘浓度达30-120g/Nm3，硬度大，有一定的粘度；

（2）粉尘粒径小（小于10um的颗粒约占75%-90%）、比电阻高、粉尘容易团聚；

（3）NOX含量高，为200-1000mg/Nm³；

（4）粉尘中碱金属及碱土金属、少量重金属含量高。

2水泥窑SCR脱硝难点

（1）粉尘浓度高，粒径小，催化剂极易堵塞，遮盖脱硝活性组分；

（2）粉尘中碱金属K、Na及碱土金属Ca等氧化物引起催化剂中毒；

（3）高含量CaO（主要以CaCO3形式），易与烟气中生成的SO3生成硫酸钙，沉积在催化剂表面，堵死微孔。

3水泥窑烟气SCR脱硝技术介绍

3.1低氮燃烧器技术

低氮燃烧器技术的基本原理是合理搭配一次空气量与二次空气量比例，尽量减少一次空气量通过燃烧器，同时充分利用来自窑头熟料冷却器的二次空气量。根据现有低氮燃烧器和燃烧控制技术水平，该方法一般能降低5%～30%的氮氧化物排放量。

3.2分级燃烧技术

分级燃烧技术的基本原理是在窑尾烟室和分解炉之间形成缺氧的还原气氛，建立还原燃烧区，产生一氧化碳、甲烷、氢气和固定碳等还原剂。窑尾烟气中的氮氧化物和这些还原剂发生还原反应，生成氮气。同时，煤粉在缺氧的条件下燃烧也抑制了燃料型氮氧化物的产生，从而降低了氮氧化物的排放。该技术一般能降低30%～50%的氮氧化物排放量，但是难以满足更高的排放标准。

3.3SNCR脱硝技术

选择性非催化还原技术（SelectiveNon-CatalyticReducation，简称SNCR技术）原理是在温度850℃～1100℃区间内，在无催化剂条件下，利用氨水（浓度为25%～30%）或尿素溶液（浓度为5%～10%）等为还原剂（反应组分为NH3），选择性地将烟气中的氮氧化物还原为氮气和水等。。影响水泥工业SNCR技术的脱硝效率的主要因素有反应温度、停留时间、还原剂的雾化效果、还原剂和烟气混合程度等。

SNCR技术氨水用量较大，利用率仅为50%～60%，且存在氨逃逸现象，氨排放容易超标。

3.4饱和蒸汽低氨脱硝技术

蒸汽低氨脱硝技术是一种新型的饱和水蒸汽低氨燃烧脱硝技术，利用余热锅炉产生的水蒸汽作为气化剂[4]。水蒸汽与煤粉一起从分解炉下锥体部位输入，并与从回转窑进入该部位的含有大量氮氧化物的高温烟气混合，高温气化产生一氧化碳、氢气、甲烷等还原性气体。在借助生料中氧化钙等碱性金属氧化物的催化作用下，将烟气中的氮氧化物还原为氮气。

饱和蒸汽低氨脱硝技术可以满足《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2013）氮氧化物在重点地区的特别排放限值为320mg/m3的排放要求，但是不能进一步满足超低排放的要求。

3.5液态催化剂脱硝技术

液态催化剂脱硝技术（LiquidCatalyticReducation，简称LCR技术）是一种利用物理、化学和催化方法处理烟气，采用的催化剂为液态催化剂，主要包含两种催化剂，分别为一氧化氮还原酶（NOR）和一氧化二氮还原酶（N2OR）。该技术主要分为两个反应过程，烟气在15℃～400℃的温度范围内，一氧化氮还原酶将一氧化碳还原成一氧化二氮形成N-N键，然后一氧化二氮在一氧化二氮还原酶的催化下，继续还原成氮气。

3.6高温高尘SCR脱硝

该技术反应器布置在预热器Ｃ１出口与余热锅炉之间，烟气温度区间280-400℃，是目前商业脱硝催化剂反应最佳温度范围，脱硝效率高，催化剂寿命长，烟气中粉尘浓度高达80-120g/Nm³。技术优点：高的脱硝效率，低氨消耗量和排放浓度，无须给烟气加热，建设运行成本低。缺点：SCR催化剂易堵塞、磨损，需选择大孔径高强催化剂和选择能力较强的清灰组合系统。

3.7高温中尘SCR脱硝

和高温高尘SCR脱硝技术相比，高温中尘SCR脱硝技术是在预热器后和脱硝反应器前增加高温电除尘设备，粉尘含量降低到20-40g/Nm³，烟温在280-350℃。优点：粉尘大幅降低，减少了催化剂堵塞，延长使用寿命。缺点：增加高温电除尘设备，建设和运行成本增加，催化剂也要选择大孔径的。

3.8中低温低尘SCR脱硝技术

中低温低尘SCR脱硝反应器布置在窑尾余热锅炉出口与高温风机或增湿塔之间，SCR脱硝反应器内烟温度约为120-240℃，见图３工艺流程。脱硝前除尘脱硫，有效避免粉尘和硫对催化剂堵塞、中毒等问题，延长催化剂使用寿命。但脱硝温度过低，会导致ABS生成，催化剂失活，需要在线热解析。郑州嘉耐特种铝酸盐１号水泥线采用“低氮燃烧＋ＳＮＣＲ脱硝＋干法脱硫＋袋除尘＋低温SCR脱硝”工艺路线，２０１８年９月建设完成，ＮＯｘ运行排放浓度＜３５ｍｇ／ｍ３。合肥水泥研究设计院有限公司在窑尾余热发电锅炉去高温风机出口处取２００℃左右的烟气，经旋风收尘装置后脱硝，降低了建设成本，仍无法完全避免烟尘造成催化剂的物理损伤。有研究稀土耦合钒基中低温SCR催化剂，在长兴南方水泥有限公司（２５００ｔ／ｄ）采用低温低尘脱硝技术和金隅鼎鑫水泥有限公司（４５００ｔ／ｄ）

中低温高尘脱硝系统上进行中试试验。脱硝反应器出口ＮＯｘ浓度低于５０ｍｇ／ｍ３，中低温催化剂的脱硝效率可达到８０％～９５％，实现长期稳定运行。

3.9脱硝除尘一体化技术

水泥窑烟气中高浓度含量、粒度小的粉尘对催化剂及脱硝系统影响较大，因此出现了在烟气除尘同时实现氮氧化物去除的脱硝除尘一体化技术。一般采用高温金属／陶瓷滤筒（袋），核心部件是一体化反应器（图４），由入口烟道、灰斗、中箱体、高温陶瓷催化剂滤筒、花板、上箱体、反吹扫系统、出口烟道等组成。在浙江长广水泥厂搭建了水泥脱硝除尘中试平台，选用高温高尘布置，滤筒由硅酸铝纤维、无机物以及有机物的混合粘结剂组成，脱硝催化剂嵌在内层。含尘量平均为４０ｇ／Ｎｍ３，ＮＯＸ进口约２９０ｍｇ／Ｎｍ３，经过除尘脱硝一体化反应器后，烟气中的烟尘浓度小于５ｍｇ／Ｎｍ３，除尘效率高达９９．９％以上；出口ＮＯＸ浓度稳定维持在１０ｍｇ／Ｎｍ３，脱硝效率高达８５％～９６％，满足超低排放要求。陶瓷纤维滤管的复合结构避免了布袋的挠性，除尘效果好，寿命５～８年。