浅谈水泥企业脱硝减排SNCR工艺

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导读

关键词：水泥企业，SNCR，NOX
1.引言
氮氧化物排放量被国家列入“十二五”规划的控制性目标，要求2015年氮氧化物排放总量比2010年下降10%，2011年我国水泥行业排放的NOX约220万吨，占我国工业NOX排放总量的10%左右，对NOX排放贡献仅次于火电和机动车尾气排放，位居第三。NOX的排放问题已成为水泥工业可持续发展的制约因素。根据2010年对150多家水泥企业的调研，水泥厂的大气污染物基本上得到了控制，但是NOX已成为主要废气污染源。
工业和信息化部发布的《水泥行业准入条件》(工原[2010]第127号文件)水泥行业准入条件中第二十条：严格执行《水泥工业大气污染物排放标准》和《水泥工业除尘工程技术规范》以及可替代原料、燃料处理的污染控制标准。对水泥行业大气污染物实行总量控制，水泥颗粒物排放在2009年基础上降低50%，NOX在2009年基础上降低25%;新建或改扩建水泥(熟料)生产线项目须配置脱除NOX效率不低于60%的烟气脱硝装置。新建水泥项目要安装在线排放监控装置，并采用高效污染治理设备。
现有生产线2015年7月1日起执行《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)规定的大气污染物排放限值，NOX的排放浓度控制在400mg/m3，大气污染物特别排放限值，NOX的排放浓度控制在320mg/m3，因此水泥企业开展脱硝等大气污染物减排工作势在必行并显得尤为迫切。
2.SNCR降低NOx原理
选择性非催化还原(SelectiveNon-CatalyticReduction，以下简写为SNCR)技术是一种成熟的NOX控制处理技术。SNCR方法主要在850～1050℃下，将含氮的化学剂喷入烟气中，将NO还原，生成氮气和水。在水泥窑氮氧化物减排实施中，主要在分解炉合适位置喷入适量的还原剂(氨水或是尿素溶液)，喷入的还原剂在烟气自身热力运动和喷枪的合理分散作用下，同氮氧化物完成充分混合，在适合的温度和气氛下，反应生成氮气和水，发生以下反应过程如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O(1)
温度进一步升高,则可能发生以下的反应:
4NH3+5O2→4NO+6H2O(2)
当温度低于800℃时,NH3与NO的反应速度很慢;当温度高于1050℃时反应式(2)会逐渐起主导作用,当温度高于1300℃时NH3转变为NO的趋势会变得明显。该工艺脱硝效果稳定且效率高，投资少，结构简单，便于维护，脱硝效果高于分级燃烧及选择性非催化还原技术单项实用的的效果。


3.SNCR现状
大连某水泥2012年11月建设一、二线脱硝改造项目，该项目主要包括氨水储存罐4个;氨水调配、输送系统2套;雾化喷枪2套;雾化控制系统2套;电气控制柜系统2套;控制模块、接DCS系统相关设备2套，采用选择性非催化还原技术(SNCR)。该项目于当年年底建成投用。
对采用SNCR技术可达到的NOx排放量总结如下：
即使在NOx初始浓度高的情况下，NOx达到800mg/m3，NH3/NO摩尔比常小于1，NH3漏失量小。NOx达到500mg/m3，通常还原剂的注入量要高于化学计量值(NH3/NO>1)，这样会使直接操作时NH3排放量略微增加。NOx达到200mg/m3，初始浓度要低，通常NH3/NO摩尔比要高，大于2，大部分情况下会出现较多的NH3漏失。
根据还原剂的利用率随脱硝效率的变化曲线可以看出，当脱硝效率超过55%时，还原剂的利用率会大幅度下降，因此，比较经济的运行效率为55%以下。

还原剂利用率脱硝效率的变化曲线

SNCR脱硝效率可以达到60%甚至更高的脱硝效率，但SNCR比较经济的脱硝效率是在55%以下，如控制50%的脱硝效率，可以将NOX的排放浓度控制在400mg/m3(满足《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)规定的大气污染物排放限值)。因此选择SNCR脱硝最经济。
如果控制脱硝效率50%提高到60%，NOX的排放浓度400mg/m3降低到320mg/m3(满足《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)规定的大气污染物特别排放限值)，还原剂利用率下降10%。因此片面追求SNCR脱硝效率只会大幅增加脱硝成本，选择基本措施+选择性非催化还原技术才能保证在NOX的排放浓度减少最经济。
4.基本措施
基本措施：水泥企业时生成一氧化氮的途径主要有四种，即第一种热力型NOX，它是燃料在水泥窑头1400℃以上燃烧时会产生大量NOX;第二种瞬发型NOX，它是有碳氢根存在时，于火焰前端瞬发形成的NOX，一般这种瞬发NO生成量的比例很小;第三种燃料型NO，它是由燃料中所含的化学接合氮所产生的。第四种生料型NOX，它是由窑喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOX，例如NH4等。在窑废气中NO2一般仅占NO+NO2总量的5%以下，NO则占总量的95%以上。
根据氮氧化物的生成机理，主要通过采用优化窑和分解炉的燃烧制度、空气分级燃烧、燃料分级燃烧和低氮燃烧器等方法降低煤粉燃烧过程中氮氧化物的生成量。
分级燃烧在分解窑烧成系统(预分解炉)阶段，将燃烧所需的空气量分成两级送入，使第一级燃烧区内空气过剩系数小于1，燃烧生成的一氧化碳与氮氧化物进行还原反应，以及燃料氮分解成中间产物(如NH、CN、HCN和NHx等)相互作用或与氮氧化物还原分解，抑制燃料氮氧化物的生成。
2CO+2NO→2CO2+N2
NH+NH→N2+H2
NH+NO→N2+OH

工艺流程图简介

5.结论
采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝法降低NOX排放的措施是一个非常有效的途径，但SNCR脱硝效率可以达到60%甚至更高的脱硝效率，但SNCR比较经济的脱硝效率是在55%以下，因此企业在烟气脱硝方面还需重点关注基本措施，从源头消减NOX，一是优化窑和分解炉的燃烧制度;二是改变配料方案，掺用矿化剂以求降低熟料烧成温度和时间，改进熟料易烧性;三是采用低NOX的燃烧器;四是在窑尾分解炉和管道中的分级燃烧技术。

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