水泥廠執(zhí)行超低排放脫硝脫硫解決方案探討

  亞泥中國(guó)第一條生產(chǎn)線于1998年開工建設(shè)，從1998年開始在大陸設(shè)廠，共建設(shè)了12條短窯生產(chǎn)線。公司秉持遠(yuǎn)東集團(tuán)“誠(chéng)、勤、樸、慎·創(chuàng)新”的企業(yè)精神，傳承臺(tái)灣經(jīng)驗(yàn)，致力在大陸建造高環(huán)保、高品質(zhì)、高效率、低成本之“三高一低”的大型現(xiàn)代化模范水泥廠，為企業(yè)永續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。一直以來，公司均以“工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)可并行不悖”的理念，采用世界上最先進(jìn)的預(yù)熱預(yù)煅式旋窯設(shè)備，配合廢熱回收發(fā)電技術(shù)，有效節(jié)約能源，除引進(jìn)最先進(jìn)的環(huán)保設(shè)備，有效控制污染物排放，使之遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)外，每單位產(chǎn)品綜合能耗亦處于水泥企業(yè)能耗的先進(jìn)行列，至于利用電廠、鋼廠的廢棄物如水渣、各類礦渣、脫硫石膏、粉煤灰等每年亦高達(dá)數(shù)百萬噸。公司還投入大量的人力、物力，致力于污染物排放治理研究、污水處理、礦山復(fù)育和環(huán)境綠美化，盡量保留各種原生植物，廠區(qū)礦山綠化成果績(jī)效卓著，廣受政府及社會(huì)專業(yè)機(jī)構(gòu)之肯定。亞泥將持續(xù)進(jìn)行脫硝脫硫技術(shù)研究改進(jìn)，尤其在無氨脫硝技術(shù)走在水泥行業(yè)的前列。亞泥也響應(yīng)政府號(hào)召“要綠水青山、更要藍(lán)天白云”，積極進(jìn)行探索實(shí)踐讓污染物排放低于國(guó)家超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

  一、污染物排放控制趨勢(shì)：

  隨著社會(huì)的發(fā)展，政府對(duì)于水泥企業(yè)污染物排放要求日趨嚴(yán)格，對(duì)水泥企業(yè)生產(chǎn)管理、技術(shù)水平提出挑戰(zhàn)。從下表可以看出，江西省SO₂和NO_X 污染物排放控制值呈現(xiàn)50%的遞減趨勢(shì)。2019年將實(shí)行特別排放標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷若干年后將實(shí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1.  江西省水泥企業(yè)污染物排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)表：

  ※江蘇、河北、河南等地方NO_X和SO₂已經(jīng)開始執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)，分別要求小于100mg/Nm³、50mg/Nm³

  二、超低排放脫硝技術(shù)：

  氮氧化物排放治理可謂當(dāng)前水泥行業(yè)大氣污染物減排面臨的最大難題。目前，國(guó)內(nèi)脫硝技術(shù)方案可以分為兩大類，一是過程控制（即：低氮燃燒，分級(jí)燃燒等改造方案），二是末端治理，主要包括SNCR和SCR，在實(shí)際應(yīng)用中部分企業(yè)也采用了過程控制加SNCR脫硝的模式，取得了良好的效果，但是要實(shí)現(xiàn)超低排放要求，SCR脫硝更具可行性也更具潛力。

  目前SCR脫硝技術(shù)在水泥行業(yè)應(yīng)用面臨兩大難題，一是粉塵濃度高，導(dǎo)致催化劑堵塞，嚴(yán)重影響使用壽命并帶來催化劑中毒風(fēng)險(xiǎn)；二是對(duì)溫度要求較高，需要將催化還原溫度穩(wěn)定在280度以上才能發(fā)揮SCR技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

  江西亞東利用低氮煤粉燃燒系統(tǒng)+SNCR低氨脫硝系統(tǒng)進(jìn)行超低排放脫硝技術(shù)研究，在不增加設(shè)備投資的條件下實(shí)現(xiàn)了窯尾NO_X小于100mg/Nm³的超低排放控制目標(biāo)。

  三、江西亞東低氮煤粉脫硝（無氨脫硝）技術(shù)介紹：

  江西亞東五六線預(yù)熱器采用洪堡雙系列六級(jí)旋風(fēng)筒，其設(shè)計(jì)采用了超低壓損旋風(fēng)筒、低氮分解爐、煤粉分級(jí)燃燒等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，三次風(fēng)管分A、B系列，共用管道式分解爐。窯尾氣體含氧氣(以下簡(jiǎn)稱O2)量一般為2～3%，經(jīng)上升風(fēng)道的低氮燃燒噴煤點(diǎn)與五級(jí)旋風(fēng)筒下來的部分生料混合，此處煤粉在缺氧狀態(tài)下燃燒產(chǎn)生大量一氧化碳(以下簡(jiǎn)稱CO)，其為強(qiáng)還原劑可將窯尾氣體中NOX還原成氮?dú)?以下簡(jiǎn)稱N2)，CO則被氧化成二氧化碳(以下簡(jiǎn)稱CO₂)同時(shí)釋放出熱量，該脫硝反應(yīng)會(huì)持續(xù)進(jìn)行至管道式分解爐中CO耗盡為止；三次風(fēng)(含O2量19～20%)經(jīng)三次風(fēng)管的分解爐噴煤點(diǎn)與五級(jí)旋風(fēng)筒下來的部分生料混合，此處煤粉在正常有氧狀態(tài)下燃燒，會(huì)產(chǎn)生一定量的NOX；窯尾氣流經(jīng)上升風(fēng)道和三次風(fēng)管氣流匯合經(jīng)過管道式分解爐上升后再下行進(jìn)入六級(jí)旋風(fēng)筒。低氮噴煤點(diǎn)至六級(jí)旋風(fēng)筒進(jìn)口的分解爐管道總長(zhǎng)155米，生料在分解爐內(nèi)熱交換時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)低氮燃燒產(chǎn)生的CO與煙氣中NOX有充分的反應(yīng)時(shí)間，保障了低氮燃燒的脫硝效果。

圖1.最新式低氮分解爐與雙系列六級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器。

  低氮燃燒產(chǎn)生CO與窯尾及分解爐氣流中NOX反應(yīng)生成CO2和N2的化學(xué)反應(yīng)式為: CO+NO→CO2+1/2 N2，此反應(yīng)受高溫促進(jìn)和生料催化會(huì)快速完成。

  從圖1可以看出，洪堡短窯系統(tǒng)總共有五個(gè)噴煤點(diǎn)：窯頭噴煤點(diǎn)、A邊及B邊低氮燃燒噴煤點(diǎn)、A邊及B邊三次風(fēng)管分解爐噴煤點(diǎn)，以上煤粉均采用單獨(dú)計(jì)量稱。其噴入煤粉量的比例如表2及圖2所示。五段旋風(fēng)筒下料有兩條路徑，一條路徑進(jìn)入上升風(fēng)道，另外一條路徑進(jìn)入三次風(fēng)管，兩條路徑下料量的分配比例根據(jù)窯內(nèi)及三次風(fēng)管通風(fēng)和溫度狀況進(jìn)行靈活調(diào)整。低氮燃燒噴煤點(diǎn)的煤粉與五段旋風(fēng)筒部分生料粉混合后一路上升進(jìn)入分解爐，避免在噴煤點(diǎn)形成局部高溫，同時(shí)提高煤粉和生料粉混合的均勻性，促進(jìn)生料脫酸效果。五段旋風(fēng)筒下料分料及煤粉與生料粉混合技術(shù)系洪堡創(chuàng)新技術(shù)，為提高低氮燃燒噴煤點(diǎn)煤粉噴入量創(chuàng)造了有利條件。

  低氮煤粉采用單獨(dú)煤粉稱進(jìn)行計(jì)量控制，可以根據(jù)高溫風(fēng)機(jī)出口CO及窯尾NOX進(jìn)行快速準(zhǔn)確調(diào)整低氮煤粉用量。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)分解爐煤粉共用一臺(tái)煤粉稱，煤粉分多個(gè)支路噴入分解爐，對(duì)于噴入低氮燃燒點(diǎn)的煤粉無法進(jìn)行穩(wěn)定準(zhǔn)確控制，難以提高低氮煤粉脫硝效率。

  低氮煤粉噴入點(diǎn)距離三次匯合點(diǎn)有25米高度差，當(dāng)大量煤粉噴入到低氮燃燒點(diǎn)時(shí)，CO與NOX進(jìn)行反應(yīng)，高差大反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，脫硝效率高。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)分解爐低氮煤粉噴入點(diǎn)與三次風(fēng)管匯合點(diǎn)只有2-3米，脫硝反應(yīng)時(shí)間太短造成低氮煤粉脫硝效率低。目前國(guó)內(nèi)部分水泥企業(yè)進(jìn)行脫硝改造將三次風(fēng)管匯合點(diǎn)抬高，增加脫硝反應(yīng)時(shí)間，對(duì)于提高脫硝效率具有明顯效果。

  分解爐通風(fēng)面積與三次風(fēng)管通風(fēng)面積的比例將影響低氮燃燒噴煤點(diǎn)與三次風(fēng)管分解爐噴煤點(diǎn)的煤粉用量、及生料預(yù)分解脫酸效果。洪堡最新式低氮分解爐通風(fēng)面積經(jīng)適當(dāng)加大，分解爐通風(fēng)面積與三次風(fēng)管通風(fēng)面積之比由原設(shè)計(jì)的0.78提高到0.86。將分解爐加大加高，除了有利于增加低氮燃燒煤粉用量來進(jìn)一步降低NOX排放，還可降低窯頭煤粉用量減少熱力型NOX生成量，同時(shí)確保入窯生料脫酸度高且穩(wěn)定，為旋窯熟料燒成穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。

表2. 短窯系統(tǒng)噴煤點(diǎn)及噴煤量比例(%，質(zhì)量百分比)。

圖2. 江西亞東#6窯各噴煤點(diǎn)煤粉用量比例變化趨勢(shì)圖。

  江西亞東五六線設(shè)計(jì)時(shí)加大了分解爐通風(fēng)面積，低氮燃燒煤粉比例可以進(jìn)行優(yōu)化上調(diào)，通過不斷嘗試調(diào)整降低窯頭煤粉用量，適當(dāng)增加低氮燃燒煤粉比例到63.9%，在不噴氨水的條件下基本達(dá)成窯尾NOX小于400mg/Nm3目標(biāo)。

四、低氮煤粉燃燒系統(tǒng)+低氨脫硝復(fù)合技術(shù)達(dá)成超低排放NOX控制目標(biāo)：

  江西亞東五六線將預(yù)熱器的煤粉全部噴入低氮燃燒點(diǎn)進(jìn)行脫硝，在不噴入氨水的條件下窯尾NOX排放約在350m/Nm3,將SNCR系統(tǒng)氨水用量逐漸加大，窯尾NOX呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)SNCR氨水噴量在600-700L/H時(shí)，窯尾NOX穩(wěn)定在80-95mg/Nm3。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，經(jīng)測(cè)試對(duì)熟料產(chǎn)量和品質(zhì)沒有負(fù)面影響。在不需改造設(shè)備的條件下，達(dá)成超低排放折算控制目標(biāo)，噸熟料脫硝氨水費(fèi)用約1.6元/噸。

圖3.超低排放NOX控制測(cè)試曲線

  五、其他生產(chǎn)線超低排放控制改造措施：

  江西亞東其他生產(chǎn)線也是采用KHD低氮煤粉燃燒系統(tǒng)，但與五六線存在差異。主要是低氮煤粉燃燒系統(tǒng)沒有單獨(dú)計(jì)量稱，需進(jìn)行改造。擬計(jì)劃每條生產(chǎn)線投資368萬元進(jìn)行煤粉單獨(dú)計(jì)量系統(tǒng)改造，改造完成后進(jìn)行優(yōu)化操作，通過提高低氮煤粉脫硝效率，少量噴入SNCR系統(tǒng)氨水，達(dá)成超低排放NOX小于100mg/Nm3目標(biāo)。

  六、超低排放脫硫技術(shù)研究：

  江西亞東石灰石SO3含量在0.40～0.50%，窯尾SO2排放濃度約1100mg/Nm3,目前采用氨水+熟石灰脫硫，勉強(qiáng)控制在窯尾SO2在180mg/Nm3（2018年執(zhí)行國(guó)標(biāo)要求小于200mg/Nm3）,采用氨水脫硫受限于氨逃逸指標(biāo)氨水用量小，需用大量熟石灰進(jìn)行脫硫。熟石灰加入后引起熟料KH值變化，對(duì)于熟料燒成及穩(wěn)定有負(fù)面影響。同時(shí)每年購(gòu)買熟石灰費(fèi)用高，隨著環(huán)保日趨嚴(yán)格，生產(chǎn)熟石灰的廠家面臨停產(chǎn)整頓，熟石灰供應(yīng)也日趨緊張。

  2019年江西省實(shí)行特別排放政策，要求窯尾SO2排放小于100mg/Nm3,未來可能實(shí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有氨水+熟石灰脫硫技術(shù)難以滿足超低排放要求。針對(duì)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的多中脫硫技術(shù)江西亞東組織技術(shù)人員進(jìn)行對(duì)比分析，具體見下表：

  1.方案一和方案三原理相同，均存在成本高及脫硫劑保供問題。

  2.方案二屬于成熟的脫硫工藝，可以達(dá)成超低排放目標(biāo)，運(yùn)行成本比較低，但一次性投資費(fèi)用大。

  3.方案四運(yùn)行成本最低，屬于最新的脫硫技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)尚無成熟業(yè)績(jī)，但隨著技術(shù)進(jìn)步，此項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)在水泥業(yè)廣泛應(yīng)用。

  4.江西亞東石灰石硫含量高，窯尾SO2排放濃度在1000-1300mg/Nm3,要達(dá)成超低排放標(biāo)準(zhǔn)需采用石灰石-石膏法進(jìn)行脫硫。

  5.對(duì)于窯尾SO2排放本體值不高的企業(yè)可以采用方案一、二、四進(jìn)行脫硫，或者可以進(jìn)行組合式脫硫方式降低成本，確保達(dá)成窯尾SO2超低排放目標(biāo)。

  七、總結(jié)：

  亞泥中國(guó)在污染物排放控制方面投入人力和物力積極進(jìn)行研究探索，始終將環(huán)保作為企業(yè)的重大責(zé)任，在環(huán)保治理方面投入巨資，確保各項(xiàng)污染物排放遠(yuǎn)低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。亞泥中國(guó)在超低排放脫硝脫硫方面取得技術(shù)成果及經(jīng)驗(yàn)也積極向水泥同業(yè)進(jìn)行介紹，為提升水泥行業(yè)環(huán)保技術(shù)水平貢獻(xiàn)力量。