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水泥行業現有環保治理工藝淺析

2020/11/18 來源:蘇州仕淨環保科技股份有限公司

隨着政府對生態環境保護的重視程度加深,火電、化工、鋼鐵等行業的大氣污染物超低排放標準已經將顆粒物/SO2/NOx排放量控制在10/35/50 mg/m3,這也是近幾年來水泥行業環保政策的發展趨勢,因此,行業的發展和環保政策的變化對水泥行業污染治理的工藝也提出了更高的要求。......

1前言

“十三五”是我國全面建設小康社會的決勝階段,也是建材工業“創新提升、超越引領”戰略實施的第二個五年規劃,水泥市場需求和水泥工業發展環境都發生了質的改變。隨着水泥工業大型化和集約化的發展,國家對水泥清潔生產的要求也越來越高,水泥行業對大氣產生影響的主要污染物為粉塵和含有SO2或NOx的廢氣,SO2排放量以大於5000t/d規模的生產線最高,佔行業年排放均值的53%,其餘規模生產線排放量各佔10%左右;NOx排放量以4000~4500t/d生產線最高,佔行業年排放均值的21%。隨生產線規模的增加,NOx排放量逐漸減小。隨着政府對生態環境保護的重視程度加深,火電、化工、鋼鐵等行業的大氣污染物超低排放標準已經將顆粒物/SO2/NOx排放量控制在10/35/50 mg/m3,這也是近幾年來水泥行業環保政策的發展趨勢,因此,行業的發展和環保政策的變化對水泥行業污染治理的工藝也提出了更高的要求。

2水泥行業環保治理工藝

目前,水泥行業現有的環保治理工藝主要包括:1)除塵技術;2)脱硫技術;3)脱硝技術;4)脱白技術。除塵技術按捕集機理可以分為機械除塵,電除塵,過濾除塵和洗滌除塵等,脱硫則是指燃燒前脱去燃料中的硫分或者燃燒後脱去煙氣中硫分,目前常用的有幹法、半乾法和濕法脱硫等技術,脱硝工藝技術要求相對較高,通常需要採用化學反應的方式除去煙氣中的氮氧化物,而脱白則是脱去煙氣中的有害氣體和水蒸氣組成的“白色煙羽”。

2011年,全國首個水泥生產線脱硝工程——中材湘潭水泥生產線脱硝工程投運並通過了環保驗收,截至到2016年,全國已經有99%的水泥生產線完成了脱硝工程。我國水泥生產線現有的脱硝技術主要有以下幾種:(一)低氮燃燒技術;(二)分級燃燒技術;(三)選擇性非催化還原技術(SNCR);(四)選擇性催化還原技術(SCR);(五)活性焦脱硝技術等。前兩種燃燒技術效率較低只有10%~20%左右因此大都不再單獨使用,目前我國水泥廠脱硝工程主要運用的是SNCR脱硝。

圖1中材湘潭水泥脱硝項目

2.1選擇性非催化還原技術(SNCR)

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)即選擇性非催化還原法,是一種經濟實用的NOx脱除技術,該技術在1974年首先在日本投入使用,並逐步推廣到美國和歐盟,此項技術原理是在無催化劑作用下,將還原劑在850~1100℃温度下噴入煙氣,將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水,用氨作為還原劑的SNCR稱為DeNOx法,尿素作為還原劑的稱為NOxOUT法。還原劑在此反應温度下停留時間越長,則脱硝效果越好,NOx脱除率一般在50%~70%左右,具有系統簡單、初期建設投資少、操作方便等優點。還原劑只是和NOx發生反應而一般不會與氧反應,同時該技術不採用催化劑,因此被稱為選擇性非催化還原法,圖2給出的是SNCR系統的工藝流程圖。選擇性非催化還原法在水泥行業中應用時目前逐漸暴露出以下問題:

1)NOx難以實現超低排放;隨着環保要求的不斷提高,NOx排放標準必然更加嚴格,水泥廠現有的SNCR系統幾乎不可能適應更嚴的環保要求。

2)還原劑消耗量大,運行成本高;煙氣中存在大量粉塵,同時反應具有非催化性,還原劑存在高温活性粉塵吸附和非有效解除NOx的問題,造成還原劑消耗量大。

3)監測滯後時間長,系統調整不及時;SNCR系統的反應區位於預分解爐,而一般與其配套的CEMS系統在窯尾煙囱處,二者之間存在大約5分鐘的延遲區間。

圖2典型SNCR系統工藝流程圖

2.2選擇性催化還原技術(SCR)

SCR(Selective Catalytic Reduction)脱硝技術是採用氨(NH3)作為還原劑,將原系統煙道合適區域的煙氣引出至新建反應器,在反應器中設置催化劑,通過噴槍將氨與煙氣充分均勻混合後進入反應器發生反應,在有氧環境下把NOx還原成N2和H2O。在NH3/NOx的摩爾比為1:1時,SCR的脱硝效率很高一般可以達到90%以上,NH3的逃逸量可以控制在5mg/Nm3以下。對於SCR而言要使反應高效穩定,保證反應器温度窗口尤為重要,目前電力行業使用的中温SCR脱硝催化劑的工作温度為300~400℃,在水泥行業難以直接使用中温SCR催化脱硝技術對NOx排放進行控制,故低温脱硝較為常見。因為SNCR脱硝技術是利用原有設備作為反應器,而SCR脱硝需要新建反應器,將原煙氣引入反應器,脱硝後再送回原煙道,但是催化劑大都價格昂貴,相對於SNCR來講系統也較為複雜,因此在投資和運行成本方面,SCR都比SNCR要高出很多。

圖3典型水泥窯SCR系統工藝流程圖

決定SCR技術效能的主要因素在於催化劑和還原劑的選擇。催化劑的性能直接關係整個系統的脱硝效果和總費用,SCR催化劑一般要求活性高、壽命長且經濟性好同時不產生二次污染,必須具有合適的活性温度,不易中毒失效,並可再生。催化劑一般分為國外引進的採用二氧化鈦為基體的鹼金屬催化劑和國內開發的金屬複合氧化物催化劑,二者的性能比較如表1所示。在還原劑方面SCR主要採用的是氮系還原劑:尿素、氨水和液氨,三種還原劑性能比較見表2。

2.3活性焦脱硝技術

活性焦以煤為主要原料製成,是一種非常成熟的炭材料產品,與瀝青基活性炭纖維或木質活性炭相比,活性焦的成本要低並且已經廣泛應用於煙氣淨化領域。近年來,日本、德國、美國等以及我國的煤炭科學研究總院相繼開發出了綜合強度高、比表面積小的活性焦,活性焦是SO2的優良吸附劑也是NH3還原NO的優良催化劑,活性焦能在110~150℃時使NH3和NO反應成N2和H2O,目前已經開發的脱硫脱硝催化劑及其使用如表3所示。

影響活性焦脱硝效率的主要因素有温度、氧含量和濕度,隨着温度的升高,脱硝率呈現下降的趨勢,隨着含氧量的升高,則脱硝性能越好,而在濕度考察範圍內,活性焦脱硝率則與水含量成反比關係,水含量越高則活性焦脱硝率越低,圖4給出的是活性焦脱硝率分別與温度、氧含量和濕度的關係。因為活性焦同時具有脱硫和脱硝的作用,因此通常稱為活性焦聯合脱硫脱硝工藝。

3結論

我國各地水泥企業生產狀況以及當地的環保要求各不相同,因此對於某個具體的工程需要採用何種脱硝工藝,必須因地制宜,從投資、運行、技術等方面進行一個綜合的權衡,在選取脱硝工藝過程中,應當儘可能採用技術先進、運行可靠的工藝,要滿足當地環保相關標準,同時儘可能節省建設投資和維護成本,此外隨着國家和各地方對於水泥行業脱硝排放標準的日趨嚴格,應該未雨綢繆,選擇能夠做到50 mg/Nm3甚至更低的,超淨排放先進脱硝工藝,例如蘇州仕淨環保科技股份有限公司的LCR工藝,關於LCR工藝相對現有工藝的優勢,我們下期介紹。

(責任編輯:敖思)

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