水泥厂脱硝

密级：科技计划项目可行性研究报告项目名称：1#、2#窑尾烟气脱硝技改所属领域：建材项目类型：应用技术研发项目申报单位（盖章）：项目负责人：汪洪伟申报日期：2013.10.181、项目摘要应用水泥行业比较成熟的SNCR,实现脱硝效率40%以上，满足DB37_2373-2013《山东省建材工业大气污染物排放标准》要求的NOX400mg/Nm3排放浓度。2、项目实施的意义和必要性2011年我国水泥总产量已突破20亿吨，NOx排放量已成为火电之后的第二大工业领域。“十二五”时期，水泥行业是NOx减排的重点行业。2012年在《水泥工业“十二五”发展规划》指出，到2015年末，NOx排放总量降低10%，新建生产线必须配套建设效率不低于60%的烟气脱硝装置，二氧化硫排放总量降低8%等目标，“两会”期间，温家宝总理在政府工作报告中也提出要加快燃煤机组脱硝设施建设，加强水泥行业NOx的治理等要求，而同期环保部正在研究相当严格的水泥工业新的NOx排放标准。由此可见，我国水泥工业全面推进清洁生产，大力进行节能减排，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。环境保护部副部长张力军在海螺集团考察时指出：“十二五”污染减排任务更加艰巨，当前尤其是NOX减排压力巨大，“十二五”第一年全国NOX排放量不降反升，减排形势非常严峻。目前，我国有水泥新型干法生产线1400条左右，新型干法水泥窑的NOX排放普遍在800mg/Nm3左右，而欧盟等国外水泥企业排放量则普遍在500mg/Nm3。与发达国家相比，我国仍有较大差距。近期，环保部和财政部将联合出台文件，设立5个亿专项资金对重点污染物进行治理，今年有4个亿作为水泥窑NOX减排专项资金，1个亿作为PM2.5治理专项资金。每个省都会有3-5条新型干法水泥生产线作为该资金的补助对象，建成区域示范工程。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，但是氮氧化物已成为主要废气污染源。比如，对于每条5000t/d的熟料新型干法水泥生产线而言，企业每年需缴纳排污费90～100万元，其中氮氧化物排污费约占85％，即每年氮氧化物排污费76～85万元。2010年11月中华人民共和国工业和信息化部发布的《水泥行业准入条件》公告，新准入条件明确了限制水泥业产能过剩的政策方向，重点支持现有水泥（熟料）企业联合、重组、并购，支持不以新增产能为目的技术改造项目。并通过规划的实施，力争使水泥熟料生产企业数量从目前的3000家左右，减少到1000家左右。至2015年，前10家企业水泥产量达到全国水泥产量的35%以上，前10家的平均规模大于7000万吨产能。预示着我国的水泥工业正在向大型化、集团化、资源节约回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备，也是NOx的主要来源。煅烧水泥熟料时生成一氧化氮NO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。在我国新型干法水泥回转窑上常用的NOx控制技术主要有以下几种：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阶段燃烧技术。然而，即使把上述四种措施全部采用起来，事实上水泥窑的NOx排放也很难达到500mg／Nm3以下。采用选择性非催化还原（SNCR）脱硝法或选择性催化还原（SCR）脱硝法进一步降低NOx排放的措施是一个非常有效的降低NOx排放的途径。选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术1）SNCR降低NOx原理选择性非催化还原（SelectiveNon-CatalyticReduction，以下简写为SNCR）技术是一种成熟的商业性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贫燃烟气中，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。我公司现排放浓度为600-1000mg/Nm3，超出山东省/国家规定，项目迫于环保要求必须干.3、国内外技术现状分析对于新建、改建的水泥生产线（水泥窑及窑磨一体机），德国的标准依然最为严格：NOx排放限值为200mg/Nm3，欧盟要求为200～500mg/Nm3。我国又比欧盟、奥地利500mg/Nm3的排放限值宽300mg/Nm3，比德国200mg/Nm3的排放限值宽600mg/Nm3。因此，我国《水泥工业大气污染物排放标准》规定的NOx排放限值距发达国家存在较大差距。表1.1国外发达国家水泥窑SO2、NOx、氟化物排放标准（mg/Nm3）国家/地区SO2NOx氟化物奥地利200～400500-比利时100018005德国400200～3205爱尔兰400～70013005意大利60018005卢森堡1008005葡萄牙400130050瑞典200200-英国200900-荷兰90kg/h13001欧盟指令200～400200～500-4、技术思路和研究方法①可采用SNCR脱硝等技术工艺；②NOx减排效率不低于50%，并能满足当地环保要求；③SNCR技术可采用氨水为还原剂；④新增脱硝装置，根据工程实际情况，合理设置场地合理布置，减少系统建设投资；⑤采用先进的DCS或PLC控制模式，实现中央实时控制与检测；⑥改造后的脱硝系统适用于工程已确定的设计条件，并考虑满足煤粉成分变化和水泥窑系统负荷变化的需求；⑦脱硝系统改造后，满足最新国家《水泥厂大气污染物排放标准》及最新国家和地方水泥窑炉氮氧化物排放标准；⑧脱硝改造系统工艺技术成熟、设备运行可靠，脱硝改造后，保证水泥窑系统及辅机仍能安全、稳定、高效、满负荷运行；⑨氨逃逸率控制在8mg/Nm3及以下；⑩系统有效利用率不小于98%，设计寿命为20年。5、工艺流程详见附图6、现有的工作基础以及本项目研发的难点工艺系统根据厂区条件及场地条件，脱硝还原剂存储间布置在窑尾烟囱或其它合适的位置。循环模块一般安装在还原剂制备存储间内，稀释计量模块和分配模块体积较小，一般布置在窑尾运转层上，喷射系统布置在分解炉或其出口烟道上。脱硝不单独设置控制室，脱硝操作台放到现有的中控控制室。脱硝还原剂存储间布置会受到现场的空间限制，具体布置需根据现场情况考虑。在分解炉的中下部喷入氨水或尿素等溶液，使之与烟气中的NOx化合，并将其还原成氮气和水。这样就可较大幅度地削减NOx的排放，削减效果达30％～75％，NO2排放浓度可降到200～500mg／Nm3。氨水储存罐的氨水经过过滤器后，通过氨水添加泵送入分解炉,出添加泵的溶液经过滤后进入流量调节阀和流量计,经计量的溶液进入喷嘴,在喷嘴内与压缩空气混合,雾化后喷入分解炉内。喷嘴位置在分解炉中部,有多个喷嘴。其关键技术是喷嘴位置的确定，确定喷嘴位置主要考虑设备内部的气体温度。喷嘴的结构和喷嘴的质量是SNCR喷射的技术关键。由于分解炉的温度区间非常符合SNCR的反应温度窗，加上分解炉的结构保证了还原剂在其内部分的停留时间（停留3～5s，远大于反应所需时间），脱硝效果显著，一般窑炉可达到60%甚至以上的脱硝效率。但达到良好的反应效果的条件较为苛刻，且每条生产线都具有其独有的特性（即使是同期同技术同设计的两条线），所有必须在前期进行专业的诊断和收集基础数据，以保证良好后期脱硝效果。设备改造：根据厂区条件及场地条件，脱硝还原剂存储间布置在窑尾烟囱或其它合适的位置。循环模块一般安装在还原剂制备存储间内，稀释计量模块和分配模块体积较小，一般布置在窑尾运转层上，喷射系统布置在分解炉或其出口烟道上。脱硝脱硝不单独设置控制室，脱硝操作台放到现有的中控控制室。脱硝还原剂存储间布置会受到现场的空间限制，具体布置需根据现场情况考虑。7、项目的主要研发内容回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备，也是NOx的主要来源。煅烧水泥熟料时生成NOx的途径主要有四种，即第一种热力NOx，它是燃料在水泥窑头1500℃以上燃烧时会产生大量NOx；第二种瞬发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NOx生成量的比例很小；第三种燃料NOx，它是由燃料中所含的氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成的。其生成量与温度及氧浓度密切相关，且生成温度较低。所以在水泥窑系统相对较低温的分解炉内产生的燃料NOx较多；第四种生料NOx，它是由窑喂料中含氮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NOx总量的5～10％，NO则占总量的90％以上。在我国新型干法水泥回转窑上常用的NOx控制技术，一是采用低氮燃烧；二是采用选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术或选择性催化还原（SCR）脱硝技术。低氮燃烧技术可有效的降低烟气中氮氧化物浓度，但其单独使用难以达到500mg／Nm3，采用SNCR或SCR技术是较好的选择。图4.1水泥窑氮氧化物生成与控制技术示意图7.1SNCR与SCR的比选71.1选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术1）SNCR脱硝原理在分解炉的中下部(850~1050℃)加入还原剂尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH),在有部分氧存在的条件下,发生以下反应过程：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。2）工艺流程在分解炉的中下部或出口喷入氨基还原剂，使之与烟气中的NOx混合，并将其还原成氮气和水，可较大幅度地削减NOx的排放，脱硝效果达50％以上，NOx排放浓度可降到200～300mg／Nm3。其工艺流程为尿素溶解溶液通过输送泵至还原剂储存罐，还原剂经过过滤器后，由高倍流量泵输送到稀释计量模块完成还原剂的稀释、计量，并输送到分配模块，经分配模块完成各喷枪的平衡分配，输送到喷枪，在喷枪喷嘴内与压缩空气混合，雾化后喷入分解炉内。图4.2SNCR工艺流程示意图7.1.2选择性催化还原（SCR）脱硝技术1）SCR脱硝原理在SCR反应器内，NO通过以下反应被还原：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O6NO+4NH3→5N2+6H2O当烟气中有氧气时，反应第一式优先进行，因此，氨消耗量与NO还原量有一对一的关系。整个催化还原反应在300~400℃范围，最佳反应温度为320~350℃。在烟气中，NO2一般约占总的NOx浓度的5%，NO2参与的反应如下：2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O6NO2+8NH3→7N2+12H2O在绝大多数窑炉的烟气中，NO2仅占NOx总量的一小部分，因此NO2的影响并不显著。2）工艺流程根据水泥窑炉烟气温度区间特性，适应现有SCR技术的位置在预热器出口，该位置烟气温度约为340℃。从预热器出来的高温烟气，经烟道引出后转向进入SCR反