水泥行業(yè)現(xiàn)有環(huán)保治理工藝淺析

1前言

“十三五”是我國全面建設(shè)小康社會的決勝階段，也是建材工業(yè)“創(chuàng)新提升、超越引領(lǐng)”戰(zhàn)略實施的第二個五年規(guī)劃，水泥市場需求和水泥工業(yè)發(fā)展環(huán)境都發(fā)生了質(zhì)的改變。隨著水泥工業(yè)大型化和集約化的發(fā)展，國家對水泥清潔生產(chǎn)的要求也越來越高，水泥行業(yè)對大氣產(chǎn)生影響的主要污染物為粉塵和含有SO₂或NO_x的廢氣，SO₂排放量以大于5000t/d規(guī)模的生產(chǎn)線最高，占行業(yè)年排放均值的53%，其余規(guī)模生產(chǎn)線排放量各占10%左右；NO_x排放量以4000~4500t/d生產(chǎn)線最高，占行業(yè)年排放均值的21%。隨生產(chǎn)線規(guī)模的增加，NO_x排放量逐漸減小。隨著政府對生態(tài)環(huán)境保護的重視程度加深，火電、化工、鋼鐵等行業(yè)的大氣污染物超低排放標準已經(jīng)將顆粒物/SO₂/NO_x排放量控制在10/35/50 mg/m³，這也是近幾年來水泥行業(yè)環(huán)保政策的發(fā)展趨勢，因此，行業(yè)的發(fā)展和環(huán)保政策的變化對水泥行業(yè)污染治理的工藝也提出了更高的要求。

2水泥行業(yè)環(huán)保治理工藝

目前，水泥行業(yè)現(xiàn)有的環(huán)保治理工藝主要包括：1）除塵技術(shù)；2）脫硫技術(shù)；3）脫硝技術(shù)；4）脫白技術(shù)。除塵技術(shù)按捕集機理可以分為機械除塵，電除塵，過濾除塵和洗滌除塵等，脫硫則是指燃燒前脫去燃料中的硫分或者燃燒后脫去煙氣中硫分，目前常用的有干法、半干法和濕法脫硫等技術(shù)，脫硝工藝技術(shù)要求相對較高，通常需要采用化學(xué)反應(yīng)的方式除去煙氣中的氮氧化物，而脫白則是脫去煙氣中的有害氣體和水蒸氣組成的“白色煙羽”。

2011年，全國首個水泥生產(chǎn)線脫硝工程——中材湘潭水泥生產(chǎn)線脫硝工程投運并通過了環(huán)保驗收，截至到2016年，全國已經(jīng)有99%的水泥生產(chǎn)線完成了脫硝工程。我國水泥生產(chǎn)線現(xiàn)有的脫硝技術(shù)主要有以下幾種：（一）低氮燃燒技術(shù)；（二）分級燃燒技術(shù)；（三）選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）；（四）選擇性催化還原技術(shù)（SCR）；（五）活性焦脫硝技術(shù)等。前兩種燃燒技術(shù)效率較低只有10%~20%左右因此大都不再單獨使用，目前我國水泥廠脫硝工程主要運用的是SNCR脫硝。

圖1中材湘潭水泥脫硝項目

2.1選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)即選擇性非催化還原法，是一種經(jīng)濟實用的NO_x脫除技術(shù)，該技術(shù)在1974年首先在日本投入使用，并逐步推廣到美國和歐盟，此項技術(shù)原理是在無催化劑作用下，將還原劑在850~1100℃溫度下噴入煙氣，將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水，用氨作為還原劑的SNCR稱為DeNO_x法，尿素作為還原劑的稱為NO_xOUT法。還原劑在此反應(yīng)溫度下停留時間越長，則脫硝效果越好，NO_x脫除率一般在50%~70%左右，具有系統(tǒng)簡單、初期建設(shè)投資少、操作方便等優(yōu)點。還原劑只是和NO_x發(fā)生反應(yīng)而一般不會與氧反應(yīng)，同時該技術(shù)不采用催化劑，因此被稱為選擇性非催化還原法，圖2給出的是SNCR系統(tǒng)的工藝流程圖。選擇性非催化還原法在水泥行業(yè)中應(yīng)用時目前逐漸暴露出以下問題：

1）NO_x難以實現(xiàn)超低排放；隨著環(huán)保要求的不斷提高，NO_x排放標準必然更加嚴格，水泥廠現(xiàn)有的SNCR系統(tǒng)幾乎不可能適應(yīng)更嚴的環(huán)保要求。

2）還原劑消耗量大，運行成本高；煙氣中存在大量粉塵，同時反應(yīng)具有非催化性，還原劑存在高溫活性粉塵吸附和非有效解除NO_x的問題，造成還原劑消耗量大。

3）監(jiān)測滯后時間長，系統(tǒng)調(diào)整不及時；SNCR系統(tǒng)的反應(yīng)區(qū)位于預(yù)分解爐，而一般與其配套的CEMS系統(tǒng)在窯尾煙囪處，二者之間存在大約5分鐘的延遲區(qū)間。

圖2典型SNCR系統(tǒng)工藝流程圖

2.2選擇性催化還原技術(shù)(SCR)

SCR（Selective Catalytic Reduction）脫硝技術(shù)是采用氨（NH₃）作為還原劑，將原系統(tǒng)煙道合適區(qū)域的煙氣引出至新建反應(yīng)器，在反應(yīng)器中設(shè)置催化劑，通過噴槍將氨與煙氣充分均勻混合后進入反應(yīng)器發(fā)生反應(yīng)，在有氧環(huán)境下把NO_x還原成N₂和H₂O。在NH₃/NO_x的摩爾比為1:1時，SCR的脫硝效率很高一般可以達到90%以上，NH₃的逃逸量可以控制在5mg/Nm³以下。對于SCR而言要使反應(yīng)高效穩(wěn)定，保證反應(yīng)器溫度窗口尤為重要，目前電力行業(yè)使用的中溫SCR脫硝催化劑的工作溫度為300~400℃，在水泥行業(yè)難以直接使用中溫SCR催化脫硝技術(shù)對NO_x排放進行控制，故低溫脫硝較為常見。因為SNCR脫硝技術(shù)是利用原有設(shè)備作為反應(yīng)器，而SCR脫硝需要新建反應(yīng)器，將原煙氣引入反應(yīng)器，脫硝后再送回原煙道，但是催化劑大都價格昂貴，相對于SNCR來講系統(tǒng)也較為復(fù)雜，因此在投資和運行成本方面，SCR都比SNCR要高出很多。

圖3典型水泥窯SCR系統(tǒng)工藝流程圖

決定SCR技術(shù)效能的主要因素在于催化劑和還原劑的選擇。催化劑的性能直接關(guān)系整個系統(tǒng)的脫硝效果和總費用，SCR催化劑一般要求活性高、壽命長且經(jīng)濟性好同時不產(chǎn)生二次污染，必須具有合適的活性溫度，不易中毒失效，并可再生。催化劑一般分為國外引進的采用二氧化鈦為基體的堿金屬催化劑和國內(nèi)開發(fā)的金屬復(fù)合氧化物催化劑，二者的性能比較如表1所示。在還原劑方面SCR主要采用的是氮系還原劑：尿素、氨水和液氨，三種還原劑性能比較見表2。

2.3活性焦脫硝技術(shù)

活性焦以煤為主要原料制成，是一種非常成熟的炭材料產(chǎn)品，與瀝青基活性炭纖維或木質(zhì)活性炭相比，活性焦的成本要低并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煙氣凈化領(lǐng)域。近年來，日本、德國、美國等以及我國的煤炭科學(xué)研究總院相繼開發(fā)出了綜合強度高、比表面積小的活性焦，活性焦是SO₂的優(yōu)良吸附劑也是NH₃還原NO的優(yōu)良催化劑，活性焦能在110~150℃時使NH₃和NO反應(yīng)成N₂和H₂O，目前已經(jīng)開發(fā)的脫硫脫硝催化劑及其使用如表3所示。

影響活性焦脫硝效率的主要因素有溫度、氧含量和濕度，隨著溫度的升高，脫硝率呈現(xiàn)下降的趨勢，隨著含氧量的升高，則脫硝性能越好，而在濕度考察范圍內(nèi)，活性焦脫硝率則與水含量成反比關(guān)系，水含量越高則活性焦脫硝率越低，圖4給出的是活性焦脫硝率分別與溫度、氧含量和濕度的關(guān)系。因為活性焦同時具有脫硫和脫硝的作用，因此通常稱為活性焦聯(lián)合脫硫脫硝工藝。

3結(jié)論

我國各地水泥企業(yè)生產(chǎn)狀況以及當?shù)氐沫h(huán)保要求各不相同，因此對于某個具體的工程需要采用何種脫硝工藝，必須因地制宜，從投資、運行、技術(shù)等方面進行一個綜合的權(quán)衡，在選取脫硝工藝過程中，應(yīng)當盡可能采用技術(shù)先進、運行可靠的工藝，要滿足當?shù)丨h(huán)保相關(guān)標準，同時盡可能節(jié)省建設(shè)投資和維護成本，此外隨著國家和各地方對于水泥行業(yè)脫硝排放標準的日趨嚴格，應(yīng)該未雨綢繆，選擇能夠做到50 mg/Nm³甚至更低的，超凈排放先進脫硝工藝，例如蘇州仕凈環(huán)?？萍脊煞萦邢薰镜腖CR工藝，關(guān)于LCR工藝相對現(xiàn)有工藝的優(yōu)勢，我們下期介紹。