闡述新疆某石灰工業窯爐脫硝工藝技術的應用

　　摘 要 石灰作為廣泛用于建筑、冶金、化工、輕工、食品、環保及農業領域，作為經濟建設不可或缺的重要原材料，其加工過程會產生大量的氮氧化物(NOX)污染物。工業加工過程需對氮氧化物的污染物進行處理，使其達標排放。本文針對新疆某活性氧化鈣環保型示范項目所采取的脫硝工藝處理技術進行介紹。

　　王勇， 新疆有色金屬 發表時間：2021-08-12

　　關鍵詞 氮氧化物 煙氣 脫硝 處理技術

　　石灰是國民經濟建設不可缺少的重要原材料，不僅用于建筑與道路工程，還廣泛用于冶金、化工、輕工、食品、環保及農業領域。在冶金石灰生產作業過程中，會排放出含有多類型污染物的煙氣，這些煙氣中還含有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體。所以除了冶金石灰加工過程選用清潔的燃料外，還需要對排放的廢氣進行凈化處理，要控制冶金石灰的污染源，在石灰生產過程中就要加以控制，設立尾氣凈化設施，讓焙燒窯爐所產生的廢氣通過凈化設備處理，降低污染物濃度，本次以新疆托克遜縣某活性氧化鈣環保型示范項目所采取的脫硝工藝處理技術為具體實例，進行脫硝處理技術的介紹。

　　1 項目簡介

　　新疆托克遜縣某活性氧化鈣環保型示范項目是以濕法電石渣為生產原料，以蘭炭爐尾氣為燃料，經過煅燒生產活性氧化鈣(CaO%≥85.0%)，屬于技術創新研發項目。

　　項目運用高效的閃蒸干燥、補償式雙熱源動態煅燒技術，脫去物料中的 H2O 生成氧化鈣，將電石渣 Ca(OH)2變成氧化鈣產品。項目產生的煅燒廢氣采用低氮燃燒、低氧配風、脫硝處理等手段處理達標后煅燒廢氣回用于石灰窯及干燥系統進行余熱利用。

　　2 脫硝技術應用

　　煅燒排放的SO2 、NOx主要為燃料中所含有的S、 N等元素在高溫燃燒過程產生的尾氣。窯爐排放的煙塵、SO2 、NOx濃度均高于《大氣污染物綜合排放標準》及《工業爐窯大氣污染物排放標準》，如果不對這些污染物進行及時有效的處理，那么勢必會導致環境空氣質量的污染現象越來越嚴重。

　　煙氣中氮氧化物處理階段一般分為前期處理、燃燒過程控制和后期煙氣脫硝。燃燒前期處理是對燃料進行脫氮處理，無工業應用;燃燒過程控制主要是改善燃燒狀態，控制過量空氣、燃燒溫度;后期煙氣脫硝技術主要是非催化還原反應(SNCR)技術、催化還原反應(SCR)技術和聯合脫硝技術(SNCR + SCR)[1] 。另外還有微生物法、電子束發、活性炭吸附法等技術，但均因運行成本、操作難度等原因未得到工程應用與推廣。

　　現有的脫硝設備種類多，分為濕法和干法兩大類，由于濕法脫硝投資較高、設備及工藝過程較復雜、效率一般、會產生大量的廢水和需要二次處理法的廢棄物等諸多不利因素，所以目前還是提倡用干法脫硝[2] 。

　　2.1 低氮燃燒技術和低氮燃燒器

　　低氮燃燒技術是一種比較經濟的控制氮氧化物的方法，它根據氮氧化物的生成原理，主要是控制氮氧化物的生成量，分解已生成的氮氧化物。設備上主要是采用低氮燃燒器，工藝上有空氣、燃料分級技術、還原爐膛等技術，采用冷卻、循環等方式控制燃燒溫度，減少空氣在高溫區的停留時間等，從而達到低氮燃燒的目的。低氮燃燒器是通過調整燃燒理論當量比、降低燃燒溫度、降低空氣濃度等技術原理，達到控制氮氧化物產生的目的[1] 。低氮燃燒技術脫硝率達到20%，低氮燃燒器脫硝率達到20%，空氣分級燃燒技術脫硝率達到20%。

　　2.2 還原法脫硝技術

　　還原法是通過向煙氣中加入還原劑，在催化劑的作用下或在一定的溫度下，對煙氣進行脫硝的方法。目前主要包括選擇性催化還原技術(SCR)、選擇性非催化還原技術(SNCR)，以及選擇性的催化還原及非催化還原(SCR—SNCR)法。

　　2.2.1 催化還原脫硝(SCR)

　　SCR法是最成熟的尾氣脫硝方法。SCR原理是在催化劑和合適的溫度條件下，促使噴入的氨基還原劑同煙氣中的NOX反應生成無害的氮氣和水。催化劑用于促進還原劑與 NOX之間的化學反應，噴入的還原劑為氣態，可采用的還原劑有氨水、尿素和液氨[3] 。還原劑原料需有各自的制備工藝，主要由還原劑存儲制備系統、計量稀釋組件、噴氨組件和反應器(催化劑)組成。脫硝效率可達90%以上。

　　2.2.2 非催化還原脫硝(SNCR)

　　SNCR 法中利用了煙氣余熱使還原反應進行。原理是氨基還原劑在 700~1100℃的溫度下，同煙氣中的NOX反應生成無害的氮氣和水。無需專門的反應器，在煙道、允許的爐膛均可實施脫硝。噴入的還原劑一般為液態，可采用的還原劑有氨水和尿素[1] 。主要由還原劑制備系統(尿素溶液制備、存儲或是氨水的存儲)、高流量循環模塊、稀釋計量模塊、分配模塊、稀釋水系統、壓縮空氣系統組成。由于工藝過程中不使用催化劑，投資與運行費用比SCR法低，但其脫硝效率低(在30~70%)，且受溫度影響大，只能應用對脫硝率要求不高的行業。

　　2.2.3 聯合脫硝技術(SNCR+ SCR)

　　SCR-SNCR 法就是在兩種方法的基礎上，進行的技術改進。SCR 一次投資過高和SNCR 無法達到現有環保要求的問題。采用投資少的SNCR作為一次脫硝，再通過SCR脫硝完成二次脫硝，其中采用的氨基還原劑可得到較好的連續利用，聯合脫硝是較為經濟的組合脫硝技術。這種復合方法結合了各自的優點，大大提高 NOX脫除率且降低成本及減少氨的泄漏。聯合工藝系統可以用較低的設備投資，獲得更好的脫除效率[2] 。

　　3 脫硝技術方案

　　項目采用蘭炭爐尾氣為燃料，因蘭炭爐尾氣中存在大量的燃料型NOX，根據同類工程經驗以及監測數據，未采取措施的情況下，燃燒煙氣NOX含量一般在700~1100mg/Nm3 ，遠超過環保排放標準要求。項目擬采用低氮燃燒、SCR脫硝方案共同實施方式，以保證煙氣達標排放。

　　3.1 低NOX燃燒器

　　熱風爐自動燒嘴采用低 NOx 自動燒嘴，其特征如下：

　　由燃燒器、風機、煤氣壓力保護器、煤氣調節閥、空氣調節閥、煤氣安全切斷閥、母火燒咀(點火槍)系統、溫控儀、火焰探測器、PID調節儀、程序控制器等多個部件組成。具有自動吹掃、電子點火、負荷比例調節、煤氣壓力保護、熄火保護等全自動運行控制的功能。

　　蘭炭爐氣在燒嘴內為兩級，由內向外分別為內層蘭炭爐氣和外層蘭炭爐氣，每級由數個蘭炭爐氣出口組成;進入燃燒器的助燃空氣分為四股，由內向外分別為點火風、一級風、二級風和三級風。

　　點火風處于軸心位置，一級風位于點火風管外圈，呈旋流狀，量少，相對大量的中間內燃氣與低速少量一級風形成負壓區域內濃燃燒，以及在鈍體原理作用下形成穩定中間根部火焰，能提供火焰穩定所需要的著火熱，此外還能形成還原氣氛。外側燃氣與二級風形成二級濃燃燒，此處二級風流速極低，風量也極小;最后外側燃氣穿過二級風域后，與三級風形成淡燃燒。濃淡燃燒產生的還原氣氛，在高溫下結合燃氣中的H2、CH4等能將NOX還原成N2，有效抑制燃料型NOX的生成。

　　3.2 煙氣循環燃燒

　　蘭炭爐氣的熱值在 1700kCal/Nm3 左右，而所需的燃燒煙氣溫度為1200℃，因此按助燃空氣配比，其空氣系數在2左右，即燃燒煙氣中O2含量將超過8%，這為NOX生成創造了高氧的條件。

　　針對工程實際，采用循環煙氣回流、降低一次風用量，在燃燒溫度、煙氣量不變的前提下，降低燃燒煙氣氧含量，同時做到余熱回收。

　　該方法基于低氧燃燒的理論，通過將高溫煙氣與回流煙氣混兌的手段，在保證燃燒器穩定燃燒的前提下，采用合理降低助燃空氣中氧含量的方法實現達到降低 NOX排放的目的。助燃空氣中的氧含量，助燃空氣溫度以及助燃空氣的過剩空氣系數是影響最終煙氣中NOx排放值的三個重要因素。采用煙氣回流方法就是利用氧含量較低(一般在 2%～ 4%)，溫度較高的回流煙氣與預熱空氣混合后降低燃燒空氣中氧含量，提高助燃空氣的溫度的方式最終達到降低NOX排放的目的。

　　本項目將布袋除塵后的約 200℃的煙氣通過循環風機回流至熱風爐，在爐體的圓周上均布有若干循環煙氣噴入口，實現循環煙氣與燃燒煙氣的均勻混合。

　　3.3 催化還原脫硝(SCR)

　　采用上述的低 NOX燃燒器及煙氣回流技術后，煙氣中NOX可降低40%~50%，但仍無法實現煙氣中 NOX的達標排放。因此還需對除塵后的煙氣進行脫硝處理。

　　脫硝系統就是將煙氣中的部分NO氧化為NO2，然后采用尿素水溶液噴淋吸收煙氣中的NO和NO2，并利用尿素與之發生還原反應生成氮氣、二氧化碳和水，從而達到煙氣脫硝的目的。

　　還原劑選用尿素而未采用氨水是因為尿素相對氨水價格更低、運輸方便且便宜、無害、安全性好、存儲方便，對設備的安全要求低，基本上無特殊要求。

　　尿素作為還原劑的煙氣脫硝原理如下：

　　首先，煙氣中的NO和NO2在氣相中生成N2O3和 N2O4，化學反應如下所示：

　　2NO+O2→2NO2 2NO2→N2O4 NO+NO2→N2O3

　　接下來，生成的產物通過分子擴散作用從兩相界面由氣相擴散到液相主體。在液相中形成 HNO3 和HNO2，并分別電離成H+ 、NO3 - 、NO2 - ，生成的NO2 - 與(NH2)2CO(尿素)反應生成N2和CO2等。化學反應如下所示：

　　N2O3+H2O→2HNO2 N2O4+H2O→HNO2+HNO3 2NO2+H2O→HNO2+HNO3 2HNO2+(NH2)2CO→2N2+CO2+3H2O

　　綜上，尿素脫除 NOx 的總化學反應式可以表述為：(NH2)2CO+NO+NO2→2N2+CO2+2H2O

　　由上述機理，NOX的去除主要是通過NO氧化，隨后溶于水溶液，與尿素發生化學反應達到去除的目的。

　　SCR脫硝系統主要設備都模塊化設計，SCR系統一般由尿素溶液[CO(NH2)2]制備系統、尿素溶液儲存和供應系統、尿素溶液輸送系統、脫硝主體控制系統、噴霧系統、反應器系統、煙氣調節系統、檢測控制系統等組成。

　　作為還原劑的固體尿素，被溶解制備成濃度 10%的尿素溶液，尿酸溶液經尿素溶液輸送泵輸送，在噴入脫硝系統之前，再經過計量分配裝置的精確計量分配至噴槍，然后經過雙流體噴嘴霧化后噴入反應器內，經過反應器作用，促進煙氣和尿素溶液的混合，保證煙氣中氨離子濃度的均勻分布，發生反應進行脫氮。

　　脫硝裝置采用選擇性催化還原法(SCR)，在焚燒爐最大工況下處理100%煙氣量，系統采用壓縮空氣與催化劑一起噴射。催化劑采取“2+1”布置方式，催化劑采用蜂窩式低溫催化劑。在焚燒爐 100%負荷時保證脫硝裝置出口 NOx 排放濃度不高于 200mg/ Nm3 ，最終在窯尾排氣筒上裝設在線煙塵連續監測系統(CEMS)，實時連續監測煙氣排放。

　　3.4 脫硝效果

　　SCR 法脫硝技術相對工藝比較成熟，還原劑采用尿素溶液制備方便，SCR脫硝系統設備完備，煅燒廢氣采用低氮燃燒、低氧配風、脫硝處理等手段處理后的窯爐尾氣濃度低于《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)排放標準 240mg/Nm3 以及《工業爐窯大氣污染物排放標準》(GB9078-1996)二級排放標準300mg/Nm3 的要求。

　　4 結束語

　　結合各工業窯爐燃燒特點和煙氣的特點，脫硝工藝也在不斷的創新，并且吸收和引進先進工藝，必將能滿足國家的環保要求，隨著時間的推移和脫硝技術的發展，各工業窯爐的脫硝工藝也將逐步更加成熟和完備。