陳昌華，代中元，彭學(xué)平，姚國鏡

1 引言

為加快改善環(huán)境空氣質(zhì)量，中央和地方政府相繼出臺文件，嚴(yán)格控制大氣污染物排放指標(biāo)。我國各行業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，其中對水泥窯煙氣排放的要求也進(jìn)一步提升。由于煙氣NOx排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，水泥廠煙氣脫硝系統(tǒng)的氨水消耗量逐漸增多，水泥生產(chǎn)運(yùn)行成本也隨之增加。工業(yè)氨水主要通過氨氣水化來制備，而合成氨氣的過程中會有大量的能耗，同時產(chǎn)生污染物排放，使用氨水脫硝不僅會增加水泥廠運(yùn)行成本，也會產(chǎn)生二次污染。利用水泥窯燒成系統(tǒng)特有的原料和煅燒工藝特點(diǎn)，進(jìn)行分解爐自脫硝技術(shù)開發(fā)，降低煙氣處置的本底濃度，可以從根本上減少污染物的排放，降低水泥企業(yè)的煙氣治理成本。

1999年，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司率先開展了水泥窯降低NOx排放技術(shù)研發(fā)工作，并在該技術(shù)領(lǐng)域承擔(dān)了國家“863”重大專項(xiàng)項(xiàng)目《水泥預(yù)分解窯系統(tǒng)降低氮氧化物的技術(shù)研究》和國家重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目《降低水泥窯氮氧化物排放的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)》等國家級科研項(xiàng)目。2007年，公司在華潤南寧項(xiàng)目應(yīng)用第一代分解爐脫硝技術(shù)，在TTF型分解爐系統(tǒng)中設(shè)計脫硝風(fēng)管，采用三次風(fēng)分級燃燒技術(shù)路線降低出爐煙氣NOx。2018年，公司開發(fā)出第二代分解爐脫硝技術(shù)，采用多級梯度燃燒自脫硝技術(shù)路線，解決了分解爐運(yùn)行穩(wěn)定性問題，同時大幅度提升了脫硝效果，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于湖北某水泥生產(chǎn)線等多個技改項(xiàng)目。

2 水泥窯系統(tǒng)NOx的生成機(jī)理

按照燃燒過程中NOx形成的不同機(jī)理，可將氮氧化物分為三種類型：燃燒用空氣中的N2在高溫條件下氧化形成的熱力型NOx；燃料中的有機(jī)氮化合物在燃燒過程中被氧化分解形成的燃料型NOx；碳?xì)浠鶊F(tuán)反應(yīng)過程中形成的中間產(chǎn)物和N2反應(yīng)形成的快速NOx。水泥生成過程中，回轉(zhuǎn)窯和分解爐是兩個主要的燃燒設(shè)備，也是煙氣NOx生成的部位（見圖1）。

圖1 水泥燒成系統(tǒng)NOx的生成部位

（1）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的NOx以熱力型NOx為主。熱力型NOx的生成主要受燃燒溫度的影響，其生成量與溫度呈指數(shù)相關(guān)，蘇聯(lián)科學(xué)家Zeldovich提出熱力型NOx的形成速率表達(dá)式：

式中：

[O2]、[N2]、[NO]--O2、N2、NO的濃度，gmol/cm3

T——絕對溫度，K

t——時間，s

R——通用氣體常數(shù)，J/（gmol·K）

根據(jù)式（1），溫度＜1 500℃時，熱力型NOx很少；溫度＞1 500℃后，溫度每提高100℃，熱力型NOx增加3～4倍。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的最高溫度一般高達(dá)1 800～2 000℃，熱力型NOx占主導(dǎo)，視窯內(nèi)煅燒溫度的高低，出窯煙氣NOx濃度一般為500～1 500mg/m3（標(biāo)）。

（2）分解爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的NOx以燃料型NOx為主。燃料型NOx主要與燃料中N含量和燃燒氣氛相關(guān)，當(dāng)燃料中N含量高時，燃料型NOx往往較高。燃燒過程中，燃料N先轉(zhuǎn)換為-CN基或-NH2基，再反應(yīng)為NOx或N2。在氧化氣氛下，燃料N往往生成NOx，在還原氣氛下，燃料N生成N2的趨勢增大。分解爐內(nèi)燃料約占燒成系統(tǒng)總?cè)剂系?0%，燃燒溫度一般為900～1 100℃，熱力型NOx的生成量可以忽略不計，燃料型NOx是分解爐內(nèi)燃燒生成NOx的主體。

3 分解爐梯度燃燒自脫硝技術(shù)原理

分解爐梯度燃燒自脫硝技術(shù)的基本原理是，通過燃燒產(chǎn)生的還原性中間產(chǎn)物（主要成分為CO）還原回轉(zhuǎn)窯內(nèi)產(chǎn)生的NOx，同時利用還原氣氛抑制分解爐內(nèi)生成NOx，在不影響燃料燃盡的前提下，降低出爐煙氣NOx的濃度。梯度燃燒的核心是要在分解爐內(nèi)形成強(qiáng)貧氧區(qū)-貧氧區(qū)-富氧區(qū)的梯度分布燃燒環(huán)境，實(shí)現(xiàn)分解爐脫硝功能（見圖2）。

圖2 分解爐梯度燃燒示意圖

（1）強(qiáng)貧氧區(qū)：三次風(fēng)管以下部位，其特征是過剩空氣系數(shù)＜0.5，為強(qiáng)還原氣氛，出窯熱力型NOx大部分在此區(qū)域還原。

（2）貧氧燃燒區(qū)：為三次風(fēng)管與脫硝風(fēng)管之間的區(qū)域，其特征是過?？諝庀禂?shù)為0.5～1.0，為弱還原氣氛，分解爐內(nèi)燃料型NOx被抑制生成或被還原。

（3）燃盡區(qū)：為脫硝風(fēng)管以上的區(qū)域，過剩空氣系數(shù)＞1.0，燃料在此區(qū)域充分燃盡。

為了建立梯度燃燒環(huán)境，入分解爐的三次風(fēng)、燃料和生料要進(jìn)行分級設(shè)計，通過多點(diǎn)喂料、多點(diǎn)喂煤和空氣分級燃燒建立不同氣氛的燃燒區(qū)間，同時分解爐內(nèi)溫度需精準(zhǔn)控制，從而在燃料充分燃燒的前提下實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝。

4 實(shí)驗(yàn)室脫硝試驗(yàn)

為了摸索還原性氣體CO與NOx的化學(xué)反應(yīng)特性，在實(shí)驗(yàn)室搭建了豎式電爐模擬反應(yīng)試驗(yàn)裝置。該裝置主要分為三個單元：配氣單元、反應(yīng)單元和檢測單元。配氣單元主要由標(biāo)氣瓶和減壓閥構(gòu)成，標(biāo)氣可根據(jù)配氣的需要進(jìn)行更換，本次試驗(yàn)配置了NO、CO、CO2、O2和N2等標(biāo)氣，用于模擬分解爐內(nèi)煙氣成分。反應(yīng)單元主要由懸浮爐以及相應(yīng)的溫控系統(tǒng)構(gòu)成，脫硝化學(xué)反應(yīng)在爐膛內(nèi)進(jìn)行。檢測單元主要由氣體分析儀、熱電偶、流量計等構(gòu)成，用于測試反應(yīng)前后氣體的成分、氣體流量、爐膛溫度等。圖3為試驗(yàn)裝置的流程圖，圖4為豎式電爐腔體結(jié)構(gòu)圖。

通過豎式電爐試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，獲得在不同的爐膛溫度、停留時間、還原劑濃度下的CO與NO混合氣化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程、NO脫除率等，為梯度燃燒自脫硝分解爐的設(shè)計提供了參考數(shù)據(jù)。

主要試驗(yàn)結(jié)論有：

（1）CO和NO在500℃左右開始反應(yīng)。隨著爐膛內(nèi)溫度的升高，NO濃度的下降速率加快，提高溫度有利于加快CO對NO的還原反應(yīng)。

圖3 試驗(yàn)裝置流程圖

圖4 豎式電爐腔體結(jié)構(gòu)

（2）CO濃度越高，NO被還原程度越高。

（3）反應(yīng)時間越長，CO和NO的反應(yīng)程度越高，反應(yīng)時間至3s以上NO仍有下降趨勢。

5 工程應(yīng)用

分解爐梯度燃燒自脫硝技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在湖北某水泥生產(chǎn)線等多個項(xiàng)目，其中湖北某生產(chǎn)線是天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司首條應(yīng)用該技術(shù)的生產(chǎn)線（圖5）。該生產(chǎn)線由天津水泥院設(shè)計，于2007年投產(chǎn)運(yùn)行。2018年初，生產(chǎn)線實(shí)施燒成系統(tǒng)整體技術(shù)改造，其中分解爐的技改方案采用天津水泥院最新開發(fā)的多級梯度燃燒自脫硝技術(shù)，以降低出爐煙氣NOx本底濃度，節(jié)省SNCR系統(tǒng)氨水消耗成本。2018年4月底，該生產(chǎn)線完成技術(shù)改造并順利投料運(yùn)行，經(jīng)過不到兩周的工業(yè)試驗(yàn)和生產(chǎn)調(diào)試，分解爐自脫硝系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)并超出技改目標(biāo)，氨水用量相較改造前大幅度降低，技術(shù)水平受到廠方的高度認(rèn)可。

（1）實(shí)現(xiàn)了脫硝效率＞60%，出分解爐煙氣NOx本底濃度＜400mg/m3（標(biāo)）

分解爐自脫硝系統(tǒng)投運(yùn)前后分別測試了分解爐出口（噴氨前）煙氣的氣體成分（表1）。其中，自脫硝系統(tǒng)運(yùn)行前，現(xiàn)場測試分解爐出口煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)為764ppm，對應(yīng)的濃度為 898mg/m3（標(biāo)）（10%O2，以 NO2計）；自脫硝系統(tǒng)運(yùn)行后，分解爐出口煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)下降至262ppm，對應(yīng)的濃度為299mg/m3（標(biāo)）。自脫硝系統(tǒng)投運(yùn)前后NOx的濃度下降了599mg/m3（標(biāo)），脫硝效率達(dá)到66.7%。

（2）脫硝系統(tǒng)氨水用量下降60%以上技改前，生產(chǎn)線單位熟料氨水用量為3.12 kg/t熟料（2017年年平均值）。技改實(shí)施后，截至目前生產(chǎn)線已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了8個月，根據(jù)廠方月統(tǒng)計結(jié)果，脫硝系統(tǒng)氨水用量均較技改前下降60%以上，其中6月份降幅達(dá)到87.6%（圖6）。

自脫硝分解爐技改后，由于氨水用量大幅度下降，廠方更加嚴(yán)格控制了煙氣NOx的排放濃度。技改前，煙氣NOx排放濃度平均為200～300mg/m3（標(biāo)），技改后煙氣NOx排放濃度控制到200mg/m3（標(biāo)）以下，其中2018年12月，NOx排放按照100mg/m3（標(biāo)）來控制（表2）。

圖5 湖北某生產(chǎn)線分解爐自脫硝技改現(xiàn)場

表1 分解爐自脫硝系統(tǒng)投運(yùn)前后煙氣測試

圖6 技改前后氨水用量對比

表2 技改后煙氣NOx月平均排放濃度

自脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后，摸索了不同NOx排放指標(biāo)下對應(yīng)的氨水用量，當(dāng)NOx排放濃度控制在≤400mg/m3（標(biāo)）時，脫硝系統(tǒng)氨水泵在大部分運(yùn)行工況下可以停用，無需消耗氨水。2018年12月份嘗試將NOx排放濃度控制在100mg/m3（標(biāo)）左右，該月份單位熟料對應(yīng)的氨水用量平均為2.16kg/t熟料，在氨水成本不增加的前提下達(dá)到潔凈排放的指標(biāo)。

（3）經(jīng)濟(jì)效益顯著

生產(chǎn)線改造前單位熟料氨水用量為3.12kg/t熟料（2017年年平均值），噸氨水價格約為700元，折算單位熟料對應(yīng)的氨水成本約2.18元/t熟料。采用分解爐梯度燃燒自脫硝技術(shù)改造后，分解爐自脫硝效率超過60%并保持連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，在NOx排放指標(biāo)進(jìn)一步嚴(yán)格控制的條件下，氨水用量也大幅度降低，據(jù)統(tǒng)計，2018年5月至12月單位熟料氨水用量平均為0.91kg/t熟料，生產(chǎn)線年熟料產(chǎn)量按130萬噸計，則每年可節(jié)約氨水成本=（3.12-0.91）/1 000×700×130=201萬元。除此之外，NOx排放指標(biāo)嚴(yán)格控制后，該生產(chǎn)線煙氣處理排污費(fèi)用也相應(yīng)減少。

6 結(jié)語

為了進(jìn)一步降低水泥燒成系統(tǒng)NOx本底濃度，減少脫硝裝置的氨水消耗成本，天津水泥院推出了第二代分解爐分級燃燒技術(shù)，即梯度燃燒自脫硝技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)在湖北某生產(chǎn)線等多個項(xiàng)目成功應(yīng)用，脫硝效果均十分顯著。湖北某生產(chǎn)線實(shí)施分解爐自脫硝技術(shù)改造后，在NOx排放濃度更加嚴(yán)格的條件下，脫硝系統(tǒng)氨水用量降低60%以上，最好月份降低87.6%，氨水消耗成本大幅度降低，為企業(yè)創(chuàng)造了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。