水泥窑烟气脱硝治理工艺技术探讨

水泥窑烟气脱硝治理工艺技术探讨

陈芳

若羌天山水泥有限责任公司  新疆若羌县 841800

摘要：我国的脱硝催化剂产业因国家生态文明建设而生，随不断严苛的排放标准而发展壮大。长期以来，脱硝催化剂的大规模应用局限在火电行业，积累了丰富的催化剂研发、设计、生产、运维、处置经验。随着水泥行业超低排放改造的深入推进，脱硝催化剂得到了更广泛的应用。本文通过水泥窑烟气特点，系统阐述水泥窑烟气脱硝工艺技术，提出适合水泥行业烟气脱硝深度减排技术路线，以满足水泥行业日益严格的烟气氮氧化物排放标准。

关键词：水泥窑；烟气；脱硝；治理

引言

近年来，我国水泥工业发展迅速，已成为居火力发电、汽车尾气之后的第三大NOx排放源，占全国NOx排放总量的15%~20%。随着燃煤电厂超低排放改造的逐步完成，水泥工业NOx排放总量超过了火电行业，已成为第一大工业排放源。收严水泥工业大气污染排放标准限值，强化无组织管控，对其进行超低排放改造，协同推进减污降碳，改善环境空气质量，是环境保护的需要，更是企业坚持绿色发展、高质量发展的必由之路。

1水泥窑尾烟气特点

采用生物脱硝技术，能使氮氧化物的排放浓度低于100mg/Nm3,在同等运行条件下，具有很高的脱硝效率（90%以上），可实现长期稳定运行。该技术与现有的氮氧化物治理技术相比，具有以下特点：设备结构简单、占地面积小；无二次污染产生；可实现脱硝和减污协同处理；无须添加任何化学药品或添加剂；低成本、无废水、无污染排放。采用生物脱硝技术的新型脱硝工艺，具有以下优点：占地面积小，易于实现小型化、集成化的设计；运行成本低，节省了投资成本；使用寿命长，维修成本低；脱硝效率高，可达95%以上；可实现长期稳定运行，对NOX和SO2排放浓度的稳定性好，操作条件温和，对温度、湿度、粉尘浓度等不敏感，对环境友好；脱硝效率高、氮氧化物排放浓度低；设备运行安全可靠，整个系统无任何化学药剂添加，无任何废水产生；采用了生物膜载体技术和空气雾化技术，提高了填料的利用率和脱硝效率；采用了可移动、模块化设计的反应器结构；采用了填料防结垢技术、防腐蚀技术，提供了微生物生长所需的营养源和氧气供应等，降低了设备运行成本。

2水泥窑烟气脱硝技术问题

（1）不能一劳永逸满足NOx数值的达标排放。主要源于脱硝催化剂床层堵塞速率快，需频繁停窑检修，调研的水泥窑SCR脱硝装置随窑同步率介于40%~80%，典型的水泥窑SCR脱硝塔烟道旁路阀常保留20%~50%阀位，真正被SCR脱硝塔处理的烟气占比不高，尾排NOx数据有待斟酌。（2）还原剂节约量有限。按地方环保要求运行的水泥窑窑尾烟气SCR脱硝装置氨氮比介于1.1~1.3，超净排放下的氨氮比甚至翻倍，基于质量守恒下的氨逃逸无法避免，同比的还原剂消耗量与先进型SNCR脱硝技术相比优势并不凸显。（3）对单位熟料综合电耗影响大。脱硝塔阻力高，理论计算脱硝塔阻力增加引起单位熟料电耗增加量介于0.68~1.54kW·h/t.cl，采用了前端除尘的SCR脱硝装置，单位熟料电耗增加量达2.17~2.76kW·h/t.cl，与节能环保相左。（4）SCR脱硝系统需额外增加其它投资。如，为克服脱硝塔阻力，SCR脱硝系统实施时需同步改造高温风机或尾排风机；为延长SCR脱硝催化剂使用寿命，降低运营成本或是保障SCR脱硝装置过渡期的NOx达标排放，辅助新上精准脱硝系统或是先进型SNCR脱硝系统则成了刚需。（5）综合运营费用高。配置SCR脱硝装置的水泥熟料生产线需投入更多电能、定期更换催化剂、增加设备维保费等，单位熟料节约的氨水成本无法抵消能耗增加成本。

3水泥窑脱硝工艺技术

3.1 SCR脱硝技术

SCR脱硝技术是水泥窑尾NOx超低排放改造的主流工艺。根据SCR反应器布置点位的不同，分为高温高尘、中温高尘和低温低尘技术，对应点位温度分别约为350℃、220℃、100℃。三种布置方式中以高温高尘为主，高温段的催化剂活性高，应用最成熟。“高温预除尘+SCR脱硝”技术改造后水泥窑尾气NOx排放质量浓度可达50mg/m3以下，但改造难度大、建设成本高、运行费用高、占地面积大，多数水泥企业并未预留足够的空间用于改造。

3.2 SNCR+SCR脱硝技术

SNCR+SCR法是先将氨水喷入窑体，脱除部分NOx，未脱除的部分和逸出的氨进行催化还原反应。两种方法的结合不仅可以降低氨水、催化剂的使用量，对处置NOx效率的提高更是效果明显，是脱硝技术经济性与高效性的有机结合。对于技术改造难度较大、老旧的生产线采用该脱硝方式较为实际。经调试运行，烟气出口NOx排放浓度＜50mg/m3，脱硝效率达90%，氨逃逸＜3mg/m3。

3.3分解炉直喷脱硝剂技术

根据停留时间和分散度的需要，在分解炉下部喷入粉状脱硝剂，在分解炉上部喷入液体脱硝剂，在分解炉上部喷入液体脱硝剂只是比液氨粘稠一些。在现有SNCR和喷氨设备下，改造费用只有SCR的二十分之一，不存在催化剂回收和氨逃逸问题。

3.4智能化提升+SNCR脱硝优化

优化改造技术包括熟料烧成工艺优化、低氮改造优化、SNCR脱硝优化中的一种或多种技术组合。对于熟料烧成工艺，通过更加广泛的生产工艺数据采集和对生产工况的实时跟踪，实现对NOx生成浓度的预测。采用分层级安装可独立控制的喷枪组，然后利用智能实时优化控制系统对NOx排放进行预测，根据实时工况控制喷氨量、喷氨位置等，从而达到提高脱硝效率，减少氨水用量，降低氨逃逸目的。经相关企业实施验证，NOx排放浓度可控制在50mg/m3以下。一次性投资小，管理维护方便，对烧成工况波动较大的生产线难以实现。

3.5其他深度脱硝技术

其他深度脱硝技术包括高温除尘脱硝一体化技术、液态催化剂技术（LCR）、高温陶瓷滤筒除尘脱硝技术、热碳催化还原技术等。针对主流的“高温预除尘+SCR脱硝”技术，提出高温除尘脱硝一体化技术，其区别在于前者在高温段除尘效率要求较低，除尘后PM浓度满足SCR反应器入口要求即可，后者是在高温段直接将PM控制到超低排放水平，避免二级除尘，使系统更流畅，降低建设成本及运行费用。

4发展建议

随着水泥行业超低排放改造的深入推进，SCR脱硝技术已成为水泥行业的必然选择，脱硝催化剂得到了广泛的应用。（1）水泥窑烟气以高尘、高碱（碱土）金属、高重金属为主要特征，粉尘浓度高达80~120g/Nm3，脱硝催化剂运行工况与火电行业明显不同。（2）水泥窑SCR脱硝技术存在高温高尘、高温中尘、中温中尘、低温低尘4种路径。从技术可靠性、经济性等方面综合考虑，最适合的技术路径为“高温中尘”，其次为“高温高尘”和“中温中尘”，这3种路径均已建立示范项目。（3）水泥行业脱硝催化剂的研发存在一定滞后，主要是基于V2O5-WO3/TiO2（钒钨钛系）进行配方优化，以提高催化剂表面酸性，从而提高催化剂抗碱性金属中毒能力。另外，提高催化剂抗堵塞和耐磨性能，以及适用于“中温中尘”“低温低尘”路径下的中低温脱硝催化剂也是重要的研发方向。（4）在脱硝催化剂的设计和应用层面，主要以蜂窝状催化剂为主，优选8-18孔、内壁厚在1.1mm以上的催化剂，并应对催化剂进行前端硬化处理，以进一步提高其耐磨性能。在脱硝系统设计上，反应器内空塔流速宜选取3.0~4.0m/s，催化剂孔内流速宜选取4.5~5.5m/s，催化剂体积建议比火电行业增加25%~30%，并采用耙式和声波组合的吹灰方式。

结束语

近年来, 水泥行业水泥窑烟气的脱硝治理工艺发展迅速, 水泥企业在新建脱硝系统时,应充分考虑水泥窑烟气的温度、污染物的浓度、资源情况以及副产物处理要求等因素，选择可靠、先进、成熟的脱硝治理技术，在指标达标的前提下，最大限度地利用烟气温度梯度，减少能源消耗。

参考文献

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