李建錫：水泥窯脫硝不可依靠氨水 無(wú)氨脫硝可實(shí)現(xiàn)

  水泥氮氧化物的污染問(wèn)題一直是社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)，近年來(lái)SNCR技術(shù)的應(yīng)用大大降低了氮氧化物的排放量，但也給水泥企業(yè)帶來(lái)了一定的成本壓力。水泥窯燒成系統(tǒng)專(zhuān)家、昆明理工大學(xué)高級(jí)教授李建錫認(rèn)為，氨水本身具有污染性，在環(huán)保日益嚴(yán)苛的情況下，使用氨水還原氮氧化物并不能達(dá)到減排的目的。在他看來(lái)，水泥窯脫硝必須減少氨水的使用，如此方可達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

水泥窯燒成系統(tǒng)專(zhuān)家、昆明理工大學(xué)高級(jí)教授李建錫

  由李建錫帶頭研發(fā)的“水泥窯無(wú)氨脫硝、高產(chǎn)、節(jié)能一體化技術(shù)”可以在不用氨水、尿素、催化劑等條件下，達(dá)到脫硝40%以上的目標(biāo)，使NO_x排放濃度大幅度降低達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)大幅節(jié)能、提產(chǎn)，大大減少了對(duì)空氣的污染。

  在“2016第四屆中國(guó)水泥節(jié)能環(huán)保技術(shù)交流大會(huì)”上，李建錫帶來(lái)了《水泥窯無(wú)氨脫硝高產(chǎn)、節(jié)能一體化技術(shù)》報(bào)告，分析了我國(guó)水泥窯爐NOx控制技術(shù)現(xiàn)狀，闡明了研發(fā)“水泥窯無(wú)氨脫硝高產(chǎn)、節(jié)能一體化技術(shù)”的意義及其作用。

  一、 項(xiàng)目的意義

  2012年全國(guó)氮氧化物排放量2273.6萬(wàn)噸，主要集中在火電、水泥和機(jī)動(dòng)車(chē)行業(yè)。水泥行業(yè)占30%，約600多萬(wàn)噸。

  2013年全國(guó)水泥排放氮氧化物約600萬(wàn)噸，約占全國(guó)氮氧化物排放總量的30%， 僅次于電力行業(yè)和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放， 位居第三。

  2014年我國(guó)水泥產(chǎn)量為24.14億噸，水泥企業(yè)近3624家。水泥煅燒產(chǎn)生大量NO_x，排放濃度為500mg/Nm³~2200mg/Nm³，每噸熟料約產(chǎn)生1.5kg~1.8kg氮氧化物。

  《我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展十二五規(guī)劃綱要》，明確提出“十二五”氮氧化物減排10%的約束性指標(biāo)，對(duì)脫硝技術(shù)提出更高的要求。

  所謂無(wú)氨脫硝，就是大幅度地降低水泥窯氨水以及尿素的使用，而減少50%甚至于完全不用氨水才叫大幅度降低。降低生產(chǎn)成本是使用“水泥窯無(wú)氨脫硝高產(chǎn)、節(jié)能一體化技術(shù)”的次要原因，更重要的原因在于使用氨水脫硝對(duì)水泥企業(yè)的總體工作來(lái)講根本不具備減排的意義，因?yàn)榘彼旧砭哂形廴拘?，我們不能用一個(gè)污染源去治理另一個(gè)污染。使用氨水脫硝是種過(guò)渡技術(shù)，我預(yù)測(cè)，五年后水泥廠的氨水用量會(huì)大幅度下降，甚至有些廠就直接不用氨水來(lái)脫硝了，將來(lái)水泥廠脫硝的方向一定不是依靠氨水。

  二、我國(guó)水泥窯爐NO_x控制技術(shù)現(xiàn)狀

  現(xiàn)在在脫硝領(lǐng)域有三個(gè)主要技術(shù)，選擇性催化還原（SCR）技術(shù)、選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)和爐內(nèi)燃燒控制技術(shù)，前面兩個(gè)技術(shù)需要用到氨水。

  1、 選擇性催化還原（SCR）技術(shù)

基本化學(xué)原理

  選擇性催化還原法(SCR)是工業(yè)上應(yīng)用最廣的一種脫硝技術(shù)，反應(yīng)溫度一般為300～450℃，理想狀態(tài)下，可使NOx的脫除率達(dá)90%以上， 是目前最好的固定源NOx治理技術(shù)，但還是使用到了氨水。

  SCR在水泥窯爐上應(yīng)用的問(wèn)題：

  （1）煙塵中顆粒物會(huì)堵塞催化劑，必須安裝吹灰器；

  （2）煙氣中的堿性物質(zhì)、CaO和SO₂會(huì)使催化劑中毒；

  （3）如果將SCR安裝在除塵器的下游，必須安裝煙氣再熱器，加熱煙氣到催化劑的最佳工作溫度。

  2、 選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)

SNCR工藝的主要化學(xué)反應(yīng)

  在這一技術(shù)中，尿素、NH3均可作為還原劑。溫度過(guò)高時(shí)氨會(huì)和氧反應(yīng)生成NO_x；溫度過(guò)低則會(huì)使NO_x還原反應(yīng)的速率過(guò)低，造成原煙氣中有過(guò)量的氨逃逸或是生料物料上有氨沉積。因此必須尋找合理的氨氣噴入位置，達(dá)到適合SNCR反應(yīng)的溫度區(qū)間。

  SNCR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是固定投資少、設(shè)備簡(jiǎn)單、不用催化劑、初期投資少、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并且易于實(shí)施。

  但這一技術(shù)的脫硝效率低，一般低于<40%，同時(shí)運(yùn)行成本較高，對(duì)反應(yīng)溫度要求高，需要準(zhǔn)確控制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度；SNCR技術(shù)需要比較高的NH₃／NO_x值（一般大于1），部分NH₃被產(chǎn)品吸收。從國(guó)家層面講，這一技術(shù)不具備減排意義。

  3、爐內(nèi)燃燒控制技術(shù)

  現(xiàn)在爐內(nèi)燃燒技術(shù)有很多，爐窯內(nèi)分級(jí)燃燒、采用低氮燃燒器、采用專(zhuān)家控制系統(tǒng)等，最典型的是分級(jí)燃燒(SCC)。SCC采用分級(jí)加入燃料和空氣，使NO_x形成降到最低，物料加入方式來(lái)降低NO_x放熱排放。通過(guò)調(diào)整燃燒空氣量，使得焙燒燃料最初是在還原性氣氛中燃燒，以降低NO_x的生成，然后再在氧化氣氛中完全燃燒；通過(guò)控制生料的加入量來(lái)調(diào)節(jié)焙燒溫度；引入三次風(fēng)來(lái)調(diào)整焙燒器中還原性氣氛，使其達(dá)到適宜的還原氣氛，采用這種方式的SCC技術(shù)可降低熱力型和燃料型NO_x。

Florida Rock Industries的空氣-燃料分級(jí)SCC

帶有轉(zhuǎn)窯入口噴燃器的Polysius MSC-SCC

美國(guó)Titan水泥廠的燃料-空氣順序分級(jí)

SCC分級(jí)燃燒技術(shù)在美國(guó)PH/PC水泥窯上的業(yè)績(jī)

  現(xiàn)在很多分級(jí)燃燒做得不是很理想，主要的問(wèn)題就是煤，把煤從上面移下來(lái)兩次，分風(fēng)兩次，這是不行的。脫氮技術(shù)需要考慮到提產(chǎn)、節(jié)能和減排問(wèn)題，其中降低氮氧化物的排放實(shí)際上比提產(chǎn)、節(jié)能更敏感。脫硝工作是一個(gè)系統(tǒng)，不是簡(jiǎn)單地把某個(gè)環(huán)節(jié)解決了就行，而是整個(gè)窯系進(jìn)行整體的。[Page]

  三、高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨脫硝集成一體化技術(shù)簡(jiǎn)介

  “高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨脫硝集成一體化技術(shù)”的概念由李建錫博士課題組在2000年首次提出（大幅提高新型干法窯產(chǎn)量的新方法探討， 《新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)》2000年 第1期）。2002被列為國(guó)家高科技計(jì)劃項(xiàng)目（“863”計(jì)劃）。課題組長(zhǎng)期從事水泥技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)工作，對(duì)水泥新工藝、水泥窯爐中煤的燃燒規(guī)律及分解爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真及預(yù)熱器分解爐結(jié)皮堵塞，有深入研究。

  “高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨脫硝集成一體化技術(shù)”為新一代水泥煅燒技術(shù)（即水泥熟料預(yù)燒技術(shù)），源于國(guó)家“863”高科技項(xiàng)目。獲2009年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2005年度教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)及云南省2006年度科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

  “高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨脫硝集成一體化技術(shù)”可以實(shí)現(xiàn)的基本效果為：

  脫硝40%以上——可達(dá)到不用氨水、尿素、催化劑等條件下， NOx排放濃度大幅度降低達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，最低可以降到25mg。同時(shí)大幅節(jié)能、提產(chǎn)，大大減少了對(duì)空氣的污染。

  節(jié)煤5%-15%——分解爐燃盡率、熱效率高，在降低NOX排放的同時(shí)大幅降低煤耗，節(jié)約實(shí)物煤耗5~20kg/t。

  提產(chǎn)5~20%——采用煤的預(yù)燃及強(qiáng)化燃燒技術(shù)，可使窯產(chǎn)量大幅提高5%以上；分解爐對(duì)煤種的適應(yīng)性強(qiáng)，特別適用于低劣煤及揮發(fā)很低的煤種（如無(wú)煙煤，高灰份（45%）低質(zhì)煤、高硫煤等），降低水泥熟料的生產(chǎn)成本。

  需要注意的是，一次性解決高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨是有條件的，每個(gè)環(huán)節(jié)都要達(dá)到要求。

  四、“高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨脫硝集成一體化”技術(shù)原理簡(jiǎn)述

  氨水能夠脫氮是因?yàn)樗羞€原作用，煤也有還原作用，本技術(shù)同樣需要還原劑。因此，這一技術(shù)首先是采用分解爐高強(qiáng)還原燃燒控制技術(shù)，分級(jí)燃燒是把部分煤還原，我們的技術(shù)是百分之百的分解，通過(guò)其他的一些配套技術(shù)改造，大幅減少窯尾煙氣的NOx含量及分解內(nèi)由燃料自身帶入的NOx量，還原和脫除NOx。

  其次需要控制和優(yōu)化窯爐煤量比，將高溫燃燒（窯頭）用煤量大大減少、減輕回轉(zhuǎn)窯燒成負(fù)擔(dān)，提高燃燒效率，降低因窯頭高溫產(chǎn)生的熱力NOx。

  我們把整個(gè)過(guò)程作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)處理，這個(gè)系統(tǒng)包含以下幾個(gè)方面：

  1、分解爐高強(qiáng)還原降氮技術(shù)

  與現(xiàn)行的“分級(jí)燃燒”技術(shù)不同，本技術(shù)將水泥熟料煅燒系統(tǒng)看成一個(gè)系統(tǒng)整體性的“大分級(jí)燃燒”，即由窯頭高溫煅燒用煤構(gòu)成主燃燒，形成NOx，窯尾分解用煤構(gòu)成再燃燒，可消除NOx。

  也就是說(shuō)，全部窯尾煤構(gòu)成一個(gè)高強(qiáng)還原區(qū)，將窯頭高溫煅燒形成的NOx高效還原。

  根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)出專(zhuān)業(yè)無(wú)氨脫硝強(qiáng)化燃燒分解爐，無(wú)分風(fēng)、分煤工藝，具有一方面將氮氧化物在燃燒過(guò)程中還原脫出，另一方面可將入窯物料在不結(jié)皮堵塞的條件下分解率和溫度提高，形成前述的燒成系統(tǒng)的燃燒控制技術(shù)。

  2、頭尾煤比優(yōu)化控制技術(shù)：

  調(diào)整合適的頭尾煤用量比例，適當(dāng)減低頭煤用量；在降低頭煤的同時(shí)，保證窯煅燒的正常進(jìn)行，煤耗下降；增加分解爐用煤比例的同時(shí)，保證不過(guò)燒，預(yù)熱器分解爐不結(jié)皮堵塞，同時(shí)達(dá)到強(qiáng)化煅燒的目的。

  熱理論計(jì)算表明，當(dāng)物料完全分解，且溫度在1100℃以上時(shí)，后續(xù)的固相反應(yīng)帶的放熱量（約434.33kJ/kg熟料）基本可提供物料自身加熱至1400℃，且完成C3S的合成和物料部分熔融等熟料最終形成所需的幾乎全部熱量（約463.6kJ/kg熟料）而無(wú)需額外供熱。見(jiàn)下圖所示：

基本原理簡(jiǎn)述

  因此，回轉(zhuǎn)窯用煤的作用主要有兩個(gè)：

  一是提供熱生料殘余CaCO₃分解所需的熱量。二是提供對(duì)窯筒體散熱損失的補(bǔ)償熱量。

  根據(jù)熟料合成熱的這一特點(diǎn)，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)所需傳熱量可大幅減少，窯頭用煤與窯尾分解爐用煤比例可發(fā)生變化，從現(xiàn)行的窯：爐=40：60的比例大幅降低至30：70或甚至更低。

  從基本原理簡(jiǎn)述圖中可以看到，在這一過(guò)程中實(shí)際上只有43KJ的熱量需要做功。到1100℃的時(shí)候我們需要417KJ的熱量，后面五分之四的窯需要的熱量才43KJ。當(dāng)然30:70這個(gè)比例也不是一下子就能達(dá)到的，這是有一個(gè)適應(yīng)過(guò)程的，而且要有設(shè)備的保證，所以要進(jìn)行一定的改造。[Page]

  五、作用

  （1）提高產(chǎn)量

  在提出這一技術(shù)的時(shí)候，我們當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)從理論上來(lái)講，4米窯的產(chǎn)量可以翻倍。

  設(shè)原預(yù)分解回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)燒煤量不變，以原來(lái)的產(chǎn)量為基準(zhǔn)，令m為原窯產(chǎn)量的倍數(shù)，則可建立如下回轉(zhuǎn)窯的熱平衡（采用Ø4.0回轉(zhuǎn)窯，產(chǎn)量2000t/d數(shù)據(jù)計(jì)算）：

  熱收入：

  1 入窯物料帶入的熱： Q物入=m·Cm·1000℃=1090·m kJ/kg熟料

  2 窯頭二次風(fēng)帶入的熱：Q二次風(fēng)=577.33  kJ/kg熟料

  3 窯內(nèi)燒成帶熟料溫度從1450℃下降到1300℃所提供的熱：Q冷卻帶=1.091×150℃·m=163.6·m  kJ/kg熟料

  4 煤燃燒的放熱： Q煤=3200×0.4=1380  kJ/kg熟料

  熱支出：

  1 煙氣帶走熱：Q煙氣=1150℃×1.9×0.483=1055.36 kJ/kg熟料

  2 熟料帶走熱： Q熟料=1300×1.091·m=1418.3·m  kJ/kg熟料

  3 物料在窯內(nèi)化學(xué)反應(yīng)及升溫吸熱：Q反應(yīng)=153.1   kJ/kg熟料

  4 窯筒體表面散熱：   Q散熱=150  kJ/kg熟料

  故：1091m+577.33+163.65m+1380=1055.36+1418.3m+153.1m+150

  解此方程后得：   m=2.06

  由此可見(jiàn)，假若分解爐入窯物料已完全分解，且溫度提高到1000℃時(shí)，理論計(jì)算窯的產(chǎn)量可較原預(yù)分解窯提高一倍左右。這一理論計(jì)算表明了，現(xiàn)行回轉(zhuǎn)窯尚具有十分可觀的提產(chǎn)空間，采用本技術(shù)及其相關(guān)理念，可以大幅改善窯的煅燒環(huán)境，提高效率。

  （2）降低熱耗

  采用預(yù)燒技術(shù)，可減少回轉(zhuǎn)窯傳熱效率低產(chǎn)生的問(wèn)題，具有傳熱效率極高的特點(diǎn)。充分利用在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料發(fā)生的固相放熱反應(yīng)，使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料傳熱量極小，因而回轉(zhuǎn)窯燒成效率將顯著提高。

  (3) 對(duì)降低NOx的作用

  新型燒成技術(shù)總體情況

  六、案例（以資陽(yáng)維鼎為例）

  此報(bào)告為原資陽(yáng)維鼎水泥廠，采用“高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨脫硝集成一體化技術(shù)”預(yù)熱器及分解爐測(cè)試結(jié)果：

  從該表可見(jiàn)，由于采用“高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨脫硝集成一體化技術(shù)”，在未用氨水脫硝之前，實(shí)測(cè)NOx已經(jīng)低于350毫克水平。

  在該案例中，采用“高產(chǎn)、節(jié)能、無(wú)氨脫硝集成一體化技術(shù)”后達(dá)到了提質(zhì)增效、降氮脫硝的目的。[Page]

  （一）提產(chǎn)增效

技改前投料145t/h

技改后投料220t/h以上，平均投料為200-220t/h。技改前平均投料175t/h，為企業(yè)增產(chǎn)20%。

照片為中控記錄

  由表可見(jiàn)，中控投料215t/h，頭煤6.1t/h，尾煤14t/h，煤發(fā)熱量5000kcal/kg，折算為熟料標(biāo)煤耗108kg/t。

  （二）降氮脫硝

  氮氧化物排放可穩(wěn)定在200mg/Nm³左右。

圖為氮氧化物排放逐步降低的趨勢(shì)線。由圖可見(jiàn)可見(jiàn)氮氧化物排放可低至25mg/Nm³。

氮氧化物263mg/Nm³

  七、項(xiàng)目效益分析

  1 經(jīng)濟(jì)效益分析

  該項(xiàng)目基本技改投資小，收益較好。以2500t/d水泥生產(chǎn)線為例，實(shí)施該項(xiàng)目，總投資在150萬(wàn)-250萬(wàn)之間。按原來(lái)噴氨水計(jì)算，每噸水泥氨水費(fèi)用為3元-6元。生產(chǎn)線按每年300天計(jì)算，預(yù)計(jì)生產(chǎn)熟料75萬(wàn)噸，需要氨水費(fèi)225萬(wàn)元-450萬(wàn)元。用項(xiàng)目實(shí)施后，每年節(jié)約氨水費(fèi)225萬(wàn)元-450萬(wàn)元，整個(gè)投資回收期為0.5年。加上節(jié)能提產(chǎn)，效益更可觀。

  2 社會(huì)效益分析

  水泥工業(yè)窯爐主要排放的 NO_X排放到空氣中易被氧化形成性質(zhì)比較穩(wěn)定的 NO₂，使得大氣中氮氧化物的含量升高。NO_X不僅直接對(duì)大氣造成一次污染，危害動(dòng)物呼吸系統(tǒng)，破壞大氣平流層臭氧層，是光化學(xué)煙霧和酸雨形成的重要物質(zhì)，也是主要的溫室氣體之一，對(duì)自然環(huán)境有巨大的危害，因此，作為重要的 NOx排放工業(yè)之一的水泥工業(yè)，控制和減少 NO_X的排放具有顯著的環(huán)境和社會(huì)效益。

  干法水泥生產(chǎn)線減少或不用氨水，實(shí)際上是減少了環(huán)境的二次污染，進(jìn)一步減少了干法水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)環(huán)境的一重大隱患，提高了干法水泥生產(chǎn)安全效益，減少了生產(chǎn)氨水的社會(huì)資源用量，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)線真正的資源節(jié)約和節(jié)能減排。

  3 應(yīng)用前景分析

  由于本技術(shù)專(zhuān)利具有獨(dú)創(chuàng)性，將在全國(guó)乃至國(guó)外都有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

  國(guó)內(nèi)外目前對(duì)空氣治理十分重視，中央對(duì)此高度關(guān)注，對(duì)NOx排放具有嚴(yán)格的管理措施，對(duì)偷排行為嚴(yán)厲打擊。

  氨水法從本質(zhì)上并未減低空氣污染，且增加水泥生產(chǎn)成本，不是大氣治理的發(fā)展方向。