技術 | 水泥窯智慧SNCR脫硝技術介紹

摘要

水泥工業氮氧化物（NOx）控制標準持續收嚴，深度脫硝治理技術成為目前研究和工程實施的重點。智慧選擇性非催化還原脫硝（智慧SNCR脫硝）技術採用資料驅動的控制模式，實現NOx濃度預測和精準噴氨，可實現控制NOx濃度穩定低於100 mg/Nm3，技術可達50 mg/Nm3以下。此外，選擇性催化還原脫硝（SCR脫硝）依然佔據重要地位，中溫高塵選擇性SCR脫硝技術相對成熟。液態催化還原脫硝（LCR脫硝）因可以實現脫硝除塵一體化，也逐步得到發展。從技術、經濟及應用業績對3種主流深度脫硝工藝路線的評估表明：智慧SNCR脫硝技術具有技術可達、建設執行費用低、技術可擴充套件性好、改造工程量小等優勢，是基於現實硬體基礎和現行標準發展趨勢的較好的工藝路線。

水泥工業是國民經濟的重要基礎產業，自1985年以來，我國一直是世界上產能最大的水泥生產國家，但水泥行業也是我國主要的能源、資源消耗和汙染物排放行業之一，在水泥生產各環節特別是煅燒工段，將產生大量的顆粒物、SO2、NOx等汙染物。自火電廠全面實施超低排放改造以來，NOx執行50 mg/Nm3的超低排放標準，而同時期的水泥行業執行《水泥工業大氣汙染物排放標準》（GB 4915-2013），NOx排放限值為400 mg/Nm3（特別排放限值320 mg/Nm3），單位煙氣量NOx排放量是火電行業的6。4~8倍。水泥工業NOx排放總量已經躍居工業汙染源排放總量首位，減排壓力巨大。根據河北省公佈的《水泥工業大氣汙染物排放標準（二次徵求意見稿）》，NOx排放限值擬收嚴到小於50 mg/Nm3的超低排放目標，已成為國內水泥行業標準發展的風向標。

《長江三角洲一體化發展規劃綱要》指出：聯合開展大氣汙染綜合防治，聯合制定控制高耗能、高排放行業標準，基本完成水泥行業超低排放改造。浙江省已啟動《水泥工業大氣汙染物排放標準》地方標準的編制，初步擬定指標中Ⅰ階段（2022年起）NOx排放濃度限值執行100 mg/Nm3，Ⅱ階段（2025年6月底前）NOx排放濃度限值執行50 mg/Nm3［2］。

因此，開展水泥爐窯NOx深度治理技術研究和試點成為必要，對解決NOx的減排難題具有重要意義。

1智慧SNCR脫硝技術

由於傳統的SNCR脫硝因為採用化學計量比進行控制，是相對簡單的閉環控制，存在響應滯後、脫硝系統的靈敏度、穩定性不高等問題，特別在適應生產負荷波動時響應不足，必要時還需藉助手動控制。

智慧SNCR脫硝［3］技術基本原理與傳統SNCR脫硝類似，透過噴入氨基還原劑，與煙氣中NOx反應生成無汙染的N2和H2O。其控制原理卻大不相同：是基於目前最先進的大資料技術和人工神經網路技術對現有SNCR脫硝系統進行全面升級。其技術要點如下：（1）透過對於生產工藝過程更加廣泛地監測資料和對生產工況的變化實時跟蹤，藉助曲線擬合實現對NOx生成濃度的預測，通常可以實現提前3 min預測；（2）改變傳統SNCR脫硝技術相對扁平化的噴槍佈置，將噴槍佈置在更加寬的溫度視窗區間，採用分層級安裝可獨立控制的噴槍組（見圖1），實時跟蹤工況，及時調整並分別控制氨水的噴射位置及噴射量，從而達到提高脫硝效率、減少氨水用量、降低氨逃逸的目的；（3）在控制方案上：完全改變傳統SNCR脫硝閉環控制，透過單一化學計量比輔以輔助引數計算氨水流量的方式，透過收集到的廣泛的資料資訊，形成輸入引數，透過控制策略，找到該工況下的控制方案的優先順序，靈活調配投入各點位的噴槍、各路噴槍的流量、壓力，以及壓縮空氣的流量和壓力，實現精準噴氨，見圖2；（4）在自最佳化方面：傳統SNCR脫硝工況劇烈波動時常需藉助手動調控，智慧SNCR脫硝透過對生產系統和脫硝系統大資料的實施監測和曲線擬合，不斷自最佳化噴射方案優先順序，投用時間越久，系統執行越穩定。

圖1 噴射點位立體化佈置示意

圖2 不同工況對應的噴射方案曲線擬合及優先順序

智慧SNCR脫硝系統目前已有較多工程應用案例，最大的優勢在於技術指標可達，經濟指標優勢明顯。實際執行表明：（1）工況發生波動時，氨水耗量波動較大，而NOx濃度趨於穩定，說明調控是有效靈敏的，執行是穩定的；（2）可以穩定控制NOx排放濃度在100 mg/Nm3以下，比傳統SNCR脫硝系統，氨水耗量可節約30%~40%，說明噴氨是精準的，氨水利用率得到了有效提升；（3）控制NOx排放濃度低於50 mg/Nm3技術上是可行的，但是經濟性有所損失，推薦控制NOx濃度<100>

2其他深度脫硝工藝

2.1 SCR脫硝技術

SCR脫硝作為電廠傳統成熟的脫硝技術，在水泥爐窯煙氣NOx深度治理技術路線中佔據重要地位。根據SCR反應器佈置的點位不同，分為中溫高塵、中低溫高塵和低溫低塵技術，對應的點位依次是C1級旋風預熱器出口、餘熱鍋爐出口和窯尾袋除塵器出口，對應溫度依次約為350 ℃、220 ℃和100 ℃，SCR反應器佈置點位見圖3。

圖3 水泥爐窯SCR脫硝佈置點位示意

三種佈置方式中，又以中溫高塵為主。主要是因為SCR脫硝的核心技術之一是催化劑，高溫段的催化劑活性高，應用最為成熟，也是燃煤電廠經過多年的技術篩選和應用形成的主流催化劑，水泥行業相關技術應用研究的報道也最多。高塵點位水泥爐窯煙氣煙塵濃度高達60~100 g/Nm3，遠高於燃煤電廠煙氣（通常認為30 g/Nm3為高塵），因此水泥爐窯高塵SCR脫硝前應同步配套預除塵系統，主要有：電預除塵器+SCR脫硝、旋風預除塵器+SCR脫硝和陶瓷濾筒除塵脫硝一體化技術，佈置在中高溫段的SCR脫硝系統均配套有預除塵裝置。為驗證SCR反應器抗高塵效能，浙江省環科院增設了預除塵器旁路，開啟旁路煙氣經旁路直接進入SCR反應器時催化劑堵塞嚴重，試驗認為高塵SCR脫硝應配套預除塵器，並配套強有力、高頻次的煙塵吹掃系統。中高溫段“預除塵+SCR脫硝”NOx排放濃度可達50 mg/Nm3以下，但是改造難度大、建設成本和執行費用均較高，佔地面積大，多數水泥企業並未預留足夠的空間用於改造。

陶瓷濾筒除塵脫硝一體化技術，其本質仍然是“預除塵+中高溫SCR脫硝”，核心裝置是高溫陶瓷膜，是由高強度陶瓷支撐體和高效膜分離層複合燒結而成，在高溫陶瓷膜內部孔結構上敷載高效脫硝催化劑，具有機械強度高、耐熱效能和耐化學腐蝕效能優良的特徵，能在200~420 ℃的溫度範圍內使用，同時解決高效除塵和脫硝問題，實現超低排放。該技術在煙氣量較小的陶瓷線上有一定應用，在水泥工業上尚未見應用報道，小型特種水泥熟料線可以先行試用。

中低溫高塵有中試成功業績，但是受限於催化劑，工程化應用業績還在試點過程中。水泥企業更青睞低溫低塵SCR技術，其具有煙氣溫度低、煙氣量小等特點，煙溫降低後SCR反應器尺寸大幅減小、佔地更加節省；尾排風機後PM濃度低至20 mg/Nm3，可以使用小孔徑催化劑，催化劑用量減少；位於尾排風機下游，可避免高空作業，改造難度小；系統綜合能耗大幅節省。但低溫催化劑抗硫效能不佳、活性相對降低，國內實際試點的案例在浙江省白峴南方水泥，自2019年初開展試點工作，至今尚未見報道成功。三種點位SCR脫硝技術的主要技術經濟指標對比見表1。

表1 三種點位SCR脫硝工藝技術經濟指標對比

2.2 LCR脫硝技術

LCR脫硝技術核心裝置是脫硝塔，利用液態催化劑處理煙氣中的NOx和PM。催化劑分A劑和B劑，A劑是利用胺基化合物廢物作為脫硝劑，與NOx反應成N2和H2O，B劑催化及調整A劑對溫度的適應性，使A劑的化學反應活性在15~200 ℃的溫度範圍內不受影響。核心裝置脫硝塔布置在生料磨站廢氣風機後面，對水泥窯、生料磨的工況不會造成影響；脫硝塔配套有高效除霧器，可減少PM排放，實現脫硝除塵一體化。作為溼法噴淋技術，存在系統複雜、阻力損失大、電耗高、廢水排放等問題。該技術路線以廢治廢的思路值得提倡，但針對水泥行業的基礎性研究和應用研究還不足，目前計劃開展試點。

3智慧SNCR脫硝優勢分析

3.1 技術優勢

基於目前已經發布地方標準的河南省和河北省控制NOx排放濃度低於100 mg/Nm3的技術要求，及可能在遠期進一步控制NOx排放濃度低於50 mg/Nm3的技術期許，從技術指標、系統穩定性、靈敏性、改造難度、副產物、系統風險等方面，對目前相對主流的SNCR、SCR和LCR脫硝等超低排放技術典型案例評估見表2。

3.2 經濟優勢

建設投資成本方面，基於現有水泥生產線已經全面配套有傳統SNCR脫硝裝置的前提下，智慧SNCR脫硝可以最大限度利用現有裝置和裝置，則僅需根據技術最佳化要求增加噴槍開孔和增加噴槍數量，建設投資、執行費用較低，對主生產系統影響最小。SCR脫硝系統，根據現有成功案例，仍需配套預除塵器，預除塵器+SCR脫硝反應器會引起整個煙道系統壓降增加，還需配套對現有引風機進行擴容改造。LCR脫硝系統需增設脫硝塔，系統複雜，阻力損失大。

執行維護成本方面，還原劑消耗費用、泵送單元電耗、勞動力成本和脫硝系統的日常維護費用等各種技術路線均有成本的消耗。SCR法需要高昂的催化劑更換維護費用，另外SCR需增加吹灰系統的電耗和吹灰介質的壓縮空氣消耗，採用的催化劑目前主要是釩鈦系，使用後需納入危險廢物管控，管理費用也較高。水泥窯深度脫硝技術經濟性指標對比見表3。

表3 水泥窯深度脫硝技術經濟性指標比較

3.3 業績優勢

縱觀目前省內外水泥行業深度脫硝工程，上述幾種主要的技術都有實際工程應用案例，各技術主要典型案例見表4。

表4 水泥爐窯煙氣深度脫硝典型案例

3.4 技術可相容性優勢

水泥行業NOx治理是一個系統工程，穩定原燃料和生產工藝是基礎，可以獲得穩定的脫硝溫度視窗、穩定的脫硝負荷，在減少NOx生成、提高脫硝效率的同時降低氨逃逸。目前，基於水泥工業已經全面配套傳統SNCR脫硝裝置，透過智慧化改造強化SNCR段的脫硝，既能與上游低氮脫硝形成良好配合，在將來NOx排放指標進一步收嚴，且SCR脫硝技術發展更加成熟的基礎上，佈置在SCR反應器上游可將入口NOx控制在較低水平，有利於減輕SCR段脫硝負荷，裝置規格、催化劑用量都能大幅降低，因此智慧SNCR脫硝技術是適應現行標準發展趨勢的綜合性價比較高的工藝路線。

4結論與建議

從技術、經濟、應用業績等方面的比較，水泥窯深度脫硝實施SNCR脫硝智慧化改造技術具有以下優點：

（1）在同等NOx控制目標（NOx＜100 mg/Nm3）時，投資成本最低，改造難度小。

（2）智慧SNCR脫硝系統具有良好的技術相容性：向上相容低氮改造技術，透過低氮改造降低初始NOx濃度後更有利於SNCR脫硝系統氨水節約和目標可達；向下相容SCR脫硝技術，若在SCR脫硝技術更加成熟以後，因智慧SNCR段的高效脫硝，可以控制SCR段入口NOx濃度＜100 mg/Nm3，如此SCR脫硝裝置、催化劑用量、氨水用量及執行電耗均可大幅下降，不會在技術需要進一步升級時造成投資浪費。

（3）現階段先行使用SNCR脫硝智慧化改造，可以避免SCR脫硝技術、脫硝催化劑及脫硝系統執行經驗不足、造價高、改造工程量大、現有場地受限等問題，以及廢棄催化劑作為危險廢物增加了企業固廢產生量和管理成本。

（4）現階段先行使用SNCR脫硝智慧化改造，可以避免LCR脫硝技術應用案例缺乏、改造工程量大、系統複雜以及現有場地受限等問題，特別是可以避免液態催化劑造成的廢水汙染等問題。

（5）SNCR脫硝智慧化改造比高效低氮改造技術更具普適性，單純的低氮改造技術現階段雖然取得了明顯進步，但是穩定性和響應生產負荷波動方面，仍然存在一定的風險。

（6）智慧SNCR脫硝系統，以大資料為驅動，採用模型+演算法技術，是適應水泥廠建設智慧工廠的新型技術。

作者單位:浙江南方水泥有限公司，浙江省生態環境科學設計研究院