采用環(huán)保新裝備推動氮氧化物污染的綜合治理

　　氮氧化物（NOx）是主要的大氣污染物之一，燃燒產(chǎn)生的NOx中絕大部分是NO，其毒性不大，但是NO在大氣中可以氧化生成NO₂，其毒性是NO的4～5倍，當含量達到150×10-6時，會對人體器官產(chǎn)生強烈的刺激作用。此外，NOx排放到大氣中將形成光化學煙霧，破壞臭氧層和造成溫室效應(yīng)，對氣候產(chǎn)生影響；氮氧化物形成酸雨沉降到江河湖泊中容易造成水體富營養(yǎng)化，直接促進藻類等有害物質(zhì)的生長，威脅飲用水安全。在特定的地理位置，當遇逆溫或不利擴散的氣象條件時，光化學煙霧便會集聚不散，使區(qū)域空氣質(zhì)量退化，大氣能見度降低，太陽輻射減少，對生態(tài)系統(tǒng)造成損害，并會產(chǎn)生頭痛、呼吸道疾病惡化，嚴重的會造成死亡。由于大氣的氧化性，NOx在大氣中可形成硝酸（HNO₃）和硝酸鹽細顆粒物，同硫酸（H₂SO₄）和硫酸鹽顆粒物一起，加速了區(qū)域性酸雨的惡化。因此，氮氧化物的治理勢在必行，建材工業(yè)在氮氧化物的治理上能發(fā)揮很大作用。

　　2008年，我國氮氧化物排放量已達到1624.5萬噸，其中，工業(yè)氮氧化物排放占總氮氧化物排放量的77%?！耙晃濉逼陂g氮氧化物排放的快速增長部分抵消了我國在二氧化硫減排方面所付出的巨大努力，監(jiān)測表明我國酸雨正由硫酸型向硝酸型轉(zhuǎn)變。此外，氮氧化物的跨國界“長距離輸送”使這一問題開始引起國際社會的關(guān)注，增加了我國控制氮氧化物排放的國際壓力?！笆濉币?guī)劃已明確將氮氧化物列入新增約束性指標，計劃到2015年，重點行業(yè)和重點地區(qū)氮氧化物排放總量比2010年減少10%。

　　建材工業(yè)是中國重要的基礎(chǔ)原材料工業(yè)。主要建材產(chǎn)品有水泥、平板玻璃、建筑衛(wèi)生陶瓷、石材和墻體材料等。其中水泥使用量大、質(zhì)優(yōu)、價廉，是現(xiàn)代社會不可或缺的大宗產(chǎn)品，被稱為建筑的“糧食”。玻璃原料豐富，價格低廉，產(chǎn)品透明、堅硬、耐蝕、光電學性質(zhì)良好，是建筑、汽車、電子等下游產(chǎn)業(yè)的重要原料，在國民經(jīng)濟發(fā)展中有著不可替代的作用。近年來，我國水泥、玻璃工業(yè)取得了長足的發(fā)展，產(chǎn)量位居世界第一。2010年，生產(chǎn)水泥18.7億噸，同比增長15.5%；生產(chǎn)平板玻璃產(chǎn)量6.3億重量箱，同比增長10.9%。

　　水泥煅燒過程產(chǎn)生大量NOx污染物，排放濃度在300mg/Nm³~2200mg/Nm³，每噸熟料約產(chǎn)生1.5kg~1.8kg氮氧化物。2010年全國水泥排放NOx約200萬噸，占全國工業(yè)NOx排放總量的10%。NOx的減排問題將成為水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的制約因素。玻璃生產(chǎn)氮氧化物排放濃度在1800mg/Nm³~2870mg/Nm³，每噸玻璃液約產(chǎn)生1.7kg~7.4kg氮氧化物。“十二五”規(guī)劃將氮氧化物列入總量控制指標，水泥、玻璃工業(yè)氮氧化物治理刻不容緩。目前，國內(nèi)脫硝技術(shù)研究尚處于起步階段，脫硝應(yīng)用多集中在大型燃煤電廠。江蘇科行集團作為建材環(huán)保裝備創(chuàng)新型制造企業(yè)，致力于發(fā)展水泥、玻璃行業(yè)煙氣脫硝技術(shù)，在非電力行業(yè)取得了顯著成績。

　　水泥窯氮氧化物控制技術(shù)

　　水泥生產(chǎn)過程產(chǎn)生氮氧化物的途徑主要有4種：第一種熱力NOx，是燃料在1400℃以上燃燒時產(chǎn)生的；第二種快速NOx，是在有碳氫根存在時，于火焰前端瞬間形成的NOx，一般這種瞬間NO生成量的比例很??；第三種燃料NOx，它是由燃料中所含的化學接合氮所產(chǎn)生的。第四種生料NOx，由窯喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx。在煙氣中NO2一般僅占NO+NO2總量的5%以下，NO則占總量的95%以上。

　　水泥工業(yè)NOx的排放標準、實際排放數(shù)量國內(nèi)和國外的標準、法規(guī)對水泥工業(yè)NOx排放的限定指標見表1。表中1mg/Nm³≈1.8cm³/Nm³。我國現(xiàn)行的水泥工業(yè)大氣污染物排放標準（GB4915-2004）中規(guī)定氮氧化物的排放限值為800mg/Nm³，與歐盟、日本現(xiàn)行的氮氧化物排放標準相比較為寬松。我國是世界水泥生產(chǎn)大國，水泥產(chǎn)量占全球的50%以上，氮氧化物排放總量大，“十二五”環(huán)保規(guī)劃中，將氮氧化物納入總量控制指標，計劃制定、修訂火電廠、鋼鐵、石油煉制、煉焦、水泥和鍋爐等約10項排放標準，水泥氮氧化物排放指標將更加嚴格。

　　國外多采用低氮燃燒+SNCR技術(shù)控制水泥窯氮氧化物，水泥窯爐的燃燒溫度很高，因此，NOx排放濃度很大，一般在1000ppm以上，有效的低氮燃燒能將NOx濃度降低到500ppm左右，再加上SNCR基本就可以滿足氮氧化物排放要求。國外采用煙氣脫硝的水泥企業(yè)有90%采用SNCR脫硝法，但SNCR脫硝法在國內(nèi)水泥窯應(yīng)用幾乎是空白。由于SNCR技術(shù)成本較低，改造方便，適合協(xié)同應(yīng)用其他的的氮技術(shù)，特別適合發(fā)展中國家使用?？菩屑瘓F在引進吸收國外脫硝技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極開展水泥窯脫硝技術(shù)創(chuàng)新，成功研制了：水泥窯煙氣NOx控制工藝及其裝置（ZL200810144169.9）、大型水泥窯煙氣治理工藝及其裝置（ZL200810007184.9）、水泥窯煙氣NOx控制的聯(lián)合裝置（ZL200820130990.0）。適用水泥窯爐SNCR脫硝技術(shù)研發(fā)與示范將為我國水泥工業(yè)的NOx控制提供有力的技術(shù)支撐，對我國水泥工業(yè)的節(jié)能減排具有非?，F(xiàn)實的意義。

　　SNCR是選擇性非催化還原SelectiveNon-CatalyticReduction的英文縮寫，此方法是在870℃～1150℃下，將氨還原劑(一般是氨或尿素)噴入煙氣中，選擇性地將NOx還原，生成氮氣和水。與SCR技術(shù)相比，SNCR技術(shù)利用爐內(nèi)的高溫驅(qū)動氨與NOx的選擇性還原反應(yīng)，因此，不需要昂貴的催化劑和體積龐大的反應(yīng)器。SNCR技術(shù)以爐膛煙道為反應(yīng)器，改造簡便，投資低廉，效率中等，是一種性價比較高的NOx控制技術(shù)。

　　在分解爐的中下部噴入氨水或尿素等溶液，使之與煙氣中的NOx化合，并將其還原成氮氣和水。這樣就可較大幅度地削減NOx的排放，削減效果達30%～85%，NOx排放濃度可降到200mg／Nm³～400mg／Nm³。氨水儲存罐的氨水經(jīng)過過濾器后，通過氨水添加泵送入分解爐，出添加泵的溶液經(jīng)過濾后進入流量調(diào)節(jié)閥和流量計，經(jīng)計量的溶液進入噴嘴，在噴嘴內(nèi)與壓縮空氣混合，霧化后噴入分解爐底部。

　　水泥預(yù)分解窯內(nèi)有較長的煙氣停留時間（2s～3s）以及適宜的溫度區(qū)間（850℃～1150℃），新型干法水泥生產(chǎn)的工藝特點非常適合采用SNCR脫硝技術(shù)。在新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中，生料首先加入一系列懸浮預(yù)熱器，然后進入分解爐，在其中大部分被分解。物料經(jīng)過預(yù)熱、分解，然后從窯尾加入回轉(zhuǎn)窯中，在窯內(nèi)進行燒成，最終燒成的水泥熟料從窯頭卸入冷卻機。約45%煤粉從窯頭的燃燒器噴入，在回轉(zhuǎn)窯中高溫燃燒放熱，滿足熟料形成的各工藝帶需要。溫度較低的一次風，從燃燒器各通道噴入，來自冷卻機的高溫二次風從燃燒器與回轉(zhuǎn)窯之間的空腔中噴入，燃燒生成的煙氣經(jīng)窯尾煙室進入分解爐。煤粉在回轉(zhuǎn)

　　窯及分解爐兩處燃燒，由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度較高，會生成大量的熱力氮氧化物；分解爐中溫度較低，主要以燃料氮氧化物為主。[Page]

　　玻璃窯氮氧化物控制技術(shù)

　　玻璃熔爐中氮氧化物是由空氣燃燒和玻璃原料中少量硝酸鹽分解產(chǎn)生的。由于玻璃熔爐火焰溫度高達1650℃~2000℃，空氣中氮氣會與氧氣反應(yīng)生成大量NOx。此外，由于原料中含有硝酸鹽（一般為KNO3）在高溫下分解產(chǎn)生部分NOx。因此，平板玻璃煙氣中有大量的NOx排放，一般濃度高達2000mg/Nm3。據(jù)估算，1臺300t/d的平板玻璃熔爐NOx排放量相當于1.8萬~3.6萬輛汽車的排放量，控制玻璃工業(yè)氮氧化物排放刻不容緩。

　　玻璃窯沒有專門的大氣污染物排放標準，參考執(zhí)行GB9078-1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排標準》和GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》中的相關(guān)規(guī)定。使污染物控制項目不明確，限制較寬松，不利于我國玻璃行業(yè)大氣污染物排放控制。隨著中國綠色環(huán)保經(jīng)濟發(fā)展的需要，國家發(fā)改委已明確提出要控制平板玻璃的氮氧化物排放，《關(guān)于抑制部分行業(yè)產(chǎn)能過剩和重復建設(shè)，引導產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展若干意見》（國發(fā)【2009】38號文）中要求氮氧化物排放低于700mg/Nm3，并在《平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準》征求意見稿中明確規(guī)定。

　　玻璃熔窯廢氣中的NOx治理措施大致可分為一次措施和二次措施：一次措施突出污染源控制，即在產(chǎn)生NOx的源頭上進行嚴格控制，限制NOx的形成，主要的一次措施包括純氧助燃技術(shù)和改進燃燒技術(shù)。二次措施是指對熔窯廢氣中已經(jīng)產(chǎn)生的NOx進行處理，從而降低廢氣排放時的NOx濃度和NOx的排放量，主要的二次措施包括：SCR和SNCR脫硝技術(shù)。其中，SNCR技術(shù)脫硝效率低，難以滿足排放要求。采用SCR技術(shù)，脫硝效率可達70%～80%。

　　純氧助燃技術(shù)是指燃料燃燒時直接使用氧氣（>90%）助燃。純氧助燃的優(yōu)點在于節(jié)約能源（節(jié)能約30%左右），增加出料量（增加約25%左右），同時能大大削減粉塵和氮氧化物的排放。根據(jù)有關(guān)文獻。采用純氧助燃技術(shù)，熱氮氧化物排放量可降低70%～90%（取決于氧的純度），最終NOx排放能達到1～2kg/t玻璃的排放水平，與空氣助燃相比，可削減2/3的排放量。目前，純氧助燃熔爐尚未在平板玻璃工業(yè)界廣泛應(yīng)用，主要障礙在于：①對于不同規(guī)模的爐窯，節(jié)能潛力可能也不盡相同。例如：對于大型平板玻璃熔爐，節(jié)能潛力（5%～15%）不如中小型熔爐（30%～50%）；②投資較大；③爐窯對耐火材料要求高，這方面的技術(shù)問題尚需要進一步解決；④純氧來源問題，目前沒有經(jīng)濟的純氧制備方法。

　　SCR脫硝技術(shù)是利用NH3與NO反應(yīng)的選擇性，在窯爐出口的管道上把煙氣（約350℃）引入SCR反應(yīng)器，在反應(yīng)器進口管道上適合位置噴入還原劑液氨或氨水，在催化劑表面將富氧煙氣中的NOx還原成N₂和H₂O，其脫硝效率可以達到80%甚至90%以上。

　　4NO+4NH3+O₂→4N₂+6H₂O

　　4NH₃+2NO₂+O₂→3N₂+6H₂O

　　NO₂+NO+2NH₃→2N₂+3H₂O

　　SCR脫硝工藝裝置的主要組成部分包括1個裝催化劑的SCR反應(yīng)器、1個儲罐及1個還原劑注入系統(tǒng)。還原劑既可是無水液氨，也可是氨水溶液(通常重量濃度為25%)。當采用氨水溶液時，通常將其通過位于導管或滑流的霧化噴嘴直接注入到煙氣通道中。采用液氨時，液氨要先通過蒸發(fā)器中的蒸汽、熱水被蒸發(fā)，蒸發(fā)的氨氣經(jīng)空氣稀釋，通過注入系統(tǒng)被注入到煙氣中。注入系統(tǒng)由許多注射噴嘴組成，使氨和煙氣均勻分布。另一方面，在噴嘴數(shù)量較少的情況下，可以結(jié)合一個靜態(tài)的混合器一起使用。氨氣在煙氣內(nèi)的均勻分布對于實現(xiàn)NOx的有效還原、較低的氨逸出量以及由此達到催化劑的有效利用都十分重要。在NOx原程度很高時，氣流均勻分布相當重要。

　　工程應(yīng)用

　　2010年9月，江蘇科行集團與南玻集團吳江公司成功簽訂煙氣除塵脫硝總包工程合同。這是我國建材行業(yè)第一個脫硝工程，必將成為建材行業(yè)的煙氣脫硝示范工程。

　　吳江南玻兩條日熔量分別為600t和900t的高檔浮法玻璃生產(chǎn)線煙氣脫硝項目，采用選擇性催化還原(SCR)脫硝法，將NOx的排放濃度由2200mg/Nm³降低到700mg/Nm³以下。煙氣條件（燃料為天然氣）見。

　　脫硝工藝流程如下：從浮法玻璃爐窯出來的高溫煙氣首先進入余熱鍋爐進行熱量回收，將煙氣溫度降低至320℃～350℃范圍內(nèi)；然后進入三電場的高溫電除塵器，通過高溫電除塵器去除煙氣中夾帶的絕大部分灰塵，使煙氣中的粉塵含量降低至50mg/Nm³以下；高溫電除塵器收集的灰塵通過輸灰系統(tǒng)送出；經(jīng)除塵凈化后的煙氣進入SCR反應(yīng)器；氨供應(yīng)系統(tǒng)制備的氣態(tài)氨經(jīng)氨/空氣混合器與稀釋空氣混合后，由AIG系統(tǒng)注入到SCR入口煙道中，通過選擇性催化還原反應(yīng)，將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為N₂排出，從而脫除煙氣中的NOx，經(jīng)除塵脫硝后的潔凈煙氣進入余熱鍋爐上部，再次利用余熱。同時在除塵器的入口和余熱鍋爐上設(shè)置了煙氣旁路閥門，從浮法玻璃爐窯出來的高溫煙氣，可通過關(guān)閉除塵器入口閥門，打開余熱鍋爐旁路閥門，直接通過余熱鍋爐及煙囪排放到大氣中去。