水泥厂脱硝.docx
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水泥厂脱硝
水泥厂脱硝
密级：
科技计划项目
可行性研究报告
项目名称：
1#、2#窑尾烟气脱硝技改
所属领域：
建材
项目类型：
应用技术研发项目
申报单位（盖章）：
项目负责人：
汪洪伟
申报日期：
2013.10.18
1、项目摘要
应用水泥行业比较成熟的SNCR,实现脱硝效率40%以上，满足DB37_2373-2013《山东省建材工业大气污染物排放标准》要求的NOX400mg/Nm3排放浓度。
2、项目实施的意义和必要性
2011年我国水泥总产量已突破20亿吨，NOx排放量已成为火电之后的第二大工业领域。
“十二五”时期，水泥行业是NOx减排的重点行业。
2012年在《水泥工业“十二五”发展规划》指出，到2015年末，NOx排放总量降低10%，新建生产线必须配套建设效率不低于60%的烟气脱硝装置，二氧化硫排放总量降低8%等目标，“两会”期间，温家宝总理在政府工作报告中也提出要加快燃煤机组脱硝设施建设，加强水泥行业NOx的治理等要求，而同期环保部正在研究相当严格的水泥工业新的NOx排放标准。
由此可见，我国水泥工业全面推进清洁生产，大力进行节能减排，开展脱硝等大气污染物减排工作势在必行并显得尤为迫切。
环境保护部副部长张力军在海螺集团考察时指出：
“十二五”污染减排任务更加艰巨，当前尤其是NOX减排压力巨大，“十二五”第一年全国NOX排放量不降反升，减排形势非常严峻。
目前，我国有水泥新型干法生产线1400条左右，新型干法水泥窑的NOX排放普遍在800mg/Nm3左右，而欧盟等国外水泥企业排放量则普遍在500mg/Nm3。
与发达国家相比，我国仍有较大差距。
近期，环保部和财政部将联合出台文件，设立5个亿专项资金对重点污染物进行治理，今年有4个亿作为水泥窑NOX减排专项资金，1个亿作为PM2.5治理专项资金。
每个省都会有3-5条新型干法水泥生产线作为该资金的补助对象，建成区域示范工程。
2011年我国水泥行业排放的NOx约220万吨，占我国工业NOx排放总量的10%左右，对NOx排放贡献仅次于火电和机动车尾气排放，位居第三。
NOx的排放问题已成为水泥工业可持续发展的制约因素。
根据2010年对150多家水泥企业的调研，水泥厂的大气污染物基本上得到了控制，但是氮氧化物已成为主要废气污染源。
比如，对于每条5000t/d的熟料新型干法水泥生产线而言，企业每年需缴纳排污费90～100万元，其中氮氧化物排污费约占85％，即每年氮氧化物排污费76～85万元。
2010年11月中华人民共和国工业和信息化部发布的《水泥行业准入条件》公告，新准入条件明确了限制水泥业产能过剩的政策方向，重点支持现有水泥（熟料）企业联合、重组、并购，支持不以新增产能为目的技术改造项目。
并通过规划的实施，力争使水泥熟料生产企业数量从目前的3000家左右，减少到1000家左右。
至2015年，前10家企业水泥产量达到全国水泥产量的35%以上，前10家的平均规模大于7000万吨产能。
预示着我国的水泥工业正在向大型化、集团化、资源节约
回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备，也是NOx的主要来源。
煅烧水泥熟料时生成一氧化氮NO的途径主要有四种，即第一种热力型NOx，它是燃料在水泥窑头1400℃以上燃烧时会产生大量NOx；第二种瞬发型NOx，它是有碳氢根存在时，于火焰前端瞬发形成的NOx，一般这种瞬发NO生成量的比例很小；第三种燃料型NO，它是由燃料中所含的化学接合氮所产生的。
第四种生料型NOx，它是由窑喂料中含氮的化合物分解后而形成的NOx，例如NH4等。
在窑废气中NO2一般仅占NO+NO2总量的5％以下，NO则占总量的95％以上。
在我国新型干法水泥回转窑上常用的NOx控制技术主要有以下几种：
一是优化窑和分解炉的燃烧制度；二是改变配料方案，掺用矿化剂以求降低熟料烧成温度和时间，改进熟料易烧性；三是采用低NOx的燃烧器；四是在窑尾分解炉和管道中的阶段燃烧技术。
然而，即使把上述四种措施全部采用起来，事实上水泥窑的NOx排放也很难达到500mg／Nm3以下。
采用选择性非催化还原（SNCR）脱硝法或选择性催化还原（SCR）脱硝法进一步降低NOx排放的措施是一个非常有效的降低NOx排放的途径。
选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术1）SNCR降低NOx原理选择性非催化还原（SelectiveNon-CatalyticReduction，以下简写为SNCR）技术是一种成熟的商业性NOx控制处理技术。
SNCR方法主要在850～1050℃下，将含氮的化学剂喷入贫燃烟气中，将NO还原，生成氮气和水。
在水泥窑氮氧化物减排实施中，主要在分解炉合适位置喷入适量的还原剂（氨水或是尿素溶液），喷入的还原剂在烟气自身热力运动和喷枪的合理分散作用下，同氮氧化物完成充分混合，在适合的温度和气氛下，反应生成氮气和水，发生以下反应过程如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
（1）温度进一步升高,则可能发生以下的反应:
4NH3+5O2→4NO+6H2O
（2）当温度低于800℃时,NH3与NO的反应速度很慢；当温度高于1050℃时反应式
（2）会逐渐起主导作用,当温度高于1300℃时NH3转变为NO的趋势会变得明显。
我公司现排放浓度为600-1000mg/Nm3，超出山东省/国家规定，项目迫于环保要求必须干.
3、国内外技术现状分析
对于新建、改建的水泥生产线（水泥窑及窑磨一体机），德国的标准依然最为严格：
NOx排放限值为200mg/Nm3，欧盟要求为200～500mg/Nm3。
我国又比欧盟、奥地利500mg/Nm3的排放限值宽300mg/Nm3，比德国200mg/Nm3的排放限值宽600mg/Nm3。
因此，我国《水泥工业大气污染物排放标准》规定的NOx排放限值距发达国家存在较大差距。
表1.1国外发达国家水泥窑SO2、NOx、氟化物排放标准（mg/Nm3）
国家/地区
SO2
NOx
氟化物
奥地利
200～400
500
-
比利时
1000
1800
5
德国
400
200～320
5
爱尔兰
400～700
1300
5
意大利
600
1800
5
卢森堡
100
800
5
葡萄牙
400
1300
50
瑞典
200
200
-
英国
200
900
-
荷兰
90kg/h
1300
1
欧盟指令
200～400
200～500
-
4、技术思路和研究方法
1可采用SNCR脱硝等技术工艺；
2NOx减排效率不低于50%，并能满足当地环保要求；
3SNCR技术可采用氨水为还原剂；
4新增脱硝装置，根据工程实际情况，合理设置场地合理布置，减少系统建设投资；
5采用先进的DCS或PLC控制模式，实现中央实时控制与检测；
6改造后的脱硝系统适用于工程已确定的设计条件，并考虑满足煤粉成分变化和水泥窑系统负荷变化的需求；
7脱硝系统改造后，满足最新国家《水泥厂大气污染物排放标准》及最新国家和地方水泥窑炉氮氧化物排放标准；
8脱硝改造系统工艺技术成熟、设备运行可靠，脱硝改造后，保证水泥窑系统及辅机仍能安全、稳定、高效、满负荷运行；
9氨逃逸率控制在8mg/Nm3及以下；
10系统有效利用率不小于98%，设计寿命为20年。
5、工艺流程
详见附图
6、现有的工作基础以及本项目研发的难点
工艺系统
根据厂区条件及场地条件，脱硝还原剂存储间布置在窑尾烟囱或其它合适的位置。
循环模块一般安装在还原剂制备存储间内，稀释计量模块和分配模块体积较小，一般布置在窑尾运转层上，喷射系统布置在分解炉或其出口烟道上。
脱硝不单独设置控制室，脱硝操作台放到现有的中控控制室。
脱硝还原剂存储间布置会受到现场的空间限制，具体布置需根据现场情况考虑。
在分解炉的中下部喷入氨水或尿素等溶液，使之与烟气中的NOx化合，并将其还原成氮气和水。
这样就可较大幅度地削减NOx的排放，削减效果达30％～75％，NO2排放浓度可降到200～500mg／Nm3。
氨水储存罐的氨水经过过滤器后，通过氨水添加泵送入分解炉,出添加泵的溶液经过滤后进入流量调节阀和流量计,经计量的溶液进入喷嘴,在喷嘴内与压缩空气混合,雾化后喷入分解炉内。
喷嘴位置在分解炉中部,有多个喷嘴。
其关键技术是喷嘴位置的确定，确定喷嘴位置主要考虑设备内部的气体温度。
喷嘴的结构和喷嘴的质量是SNCR喷射的技术关键。
由于分解炉的温度区间非常符合SNCR的反应温度窗，加上分解炉的结构保证了还原剂在其内部分的停留时间（停留3～5s，远大于反应所需时间），脱硝效果显著，一般窑炉可达到60%甚至以上的脱硝效率。
但达到良好的反应效果的条件较为苛刻，且每条生产线都具有其独有的特性（即使是同期同技术同设计的两条线），所有必须在前期进行专业的诊断和收集基础数据，以保证良好后期脱硝效果。
设备改造：
根据厂区条件及场地条件，脱硝还原剂存储间布置在窑尾烟囱或其它合适的位置。
循环模块一般安装在还原剂制备存储间内，稀释计量模块和分配模块体积较小，一般布置在窑尾运转层上，喷射系统布置在分解炉或其出口烟道上。
脱硝脱硝不单独设置控制室，脱硝操作台放到现有的中控控制室。
脱硝还原剂存储间布置会受到现场的空间限制，具体布置需根据现场情况考虑。
7、项目的主要研发内容
回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备，也是NOx的主要来源。
煅烧水泥熟料时生成NOx的途径主要有四种，即第一种热力NOx，它是燃料在水泥窑头1500℃以上燃烧时会产生大量NOx；第二种瞬发NOx，它是有碳氢根存在时，于火焰前端瞬发形成的NOx，一般这种瞬发NOx生成量的比例很小；第三种燃料NOx，它是由燃料中所含的氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成的。
其生成量与温度及氧浓度密切相关，且生成温度较低。
所以在水泥窑系统相对较低温的分解炉内产生的燃料NOx较多；第四种生料NOx，它是由窑喂料中含氮化合物分解后而形成的NOx，例如NH4等。
在窑废气中NO2一般仅占NOx总量的5～10％，NO则占总量的90％以上。
在我国新型干法水泥回转窑上常用的NOx控制技术，一是采用低氮燃烧；二是采用选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术或选择性催化还原（SCR）脱硝技术。
低氮燃烧技术可有效的降低烟气中氮氧化物浓度，但其单独使用难以达到500mg／Nm3，采用SNCR或SCR技术是较好的选择。
图4.1水泥窑氮氧化物生成与控制技术示意图
7.1SNCR与SCR的比选
71.1选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术
1）SNCR脱硝原理
在分解炉的中下部（850~1050℃）加入还原剂尿素[CO（NH2）2]或氨水（NH4OH）,在有部分氧存在的条件下,发生以下反应过程：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
（1）
温度进一步升高,则可能发生以下的反应:
4NH3+5O2→4NO+6H2O
（2）
当温度低于800℃时,NH3与NO的反应速度很慢；当温度高于1050℃时反应式
（2）会逐渐起主导作用,当温度高于1300℃时NH3转变为NO的趋势会变得明显。
2）工艺流程
在分解炉的中下部或出口喷入氨基还原剂，使之与烟气中的NOx混合，并将其还原成氮气和水，可较大幅度地削减NOx的排放，脱硝效果达50％以上，NOx排放浓度可降到200～300mg／Nm3。
其工艺流程为尿素溶解溶液通过输送泵至还原剂储存罐，还原剂经过过滤器后，由高倍流量泵输送到稀释计量模块完成还原剂的稀释、计量，并输送到分配模块，经分配模块完成各喷枪的平衡分配，输送到喷枪，在喷枪喷嘴内与压缩空气混合，雾化后喷入分解炉内。
图4.2SNCR工艺流程示意图
7.1.2选择性催化还原（SCR）脱硝技术
1）SCR脱硝原理
在SCR反应器内，NO通过以下反应被还原：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
6NO+4NH3→5N2+6H2O
当烟气中有氧气时，反应第一式优先进行，因此，氨消耗量与NO还原量有一对一的关系。
整个催化还原反应在300~400℃范围，最佳反应温度为320~350℃。
在烟气中，NO2一般约占总的NOx浓度的5%，NO2参与的反应如下：
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
在绝大多数窑炉的烟气中，NO2仅占NOx总量的一小部分，因此NO2的影响并不显著。
2）工艺流程
根据水泥窑炉烟气温度区间特性，适应现有SCR技术的位置在预热器出口，该位置烟气温度约为340℃。
从预热器出来的高温烟气，经烟道引出后转向进入SCR反应器；在SCR反应器前通过喷氨格栅将还原剂喷入烟道中，经静态混合器的混合作用，将还原剂同烟气中的NOx均匀混合，进入SCR反应器；还原剂中的NH3和NOx在催化剂的作用下反应生成H2O和N2，净化后的烟气再回到后续设备如余热锅炉。
还原剂可采用液氨、尿素或氨水。
图4.3SCR脱硝反应原理图
图4.4SCR工艺流程图
SCR法脱硝技术是一项颇具潜力的先进实用技术，可以保证废气NOx浓度降到100～200mg/Nm3甚至更低。
NO2的减排效率高达80％～95％，但SCR需要使用和消耗价格昂贵的催化剂,且由于水泥窑尾废气的粉尘浓度高达80g/Nm
碱金属含量较高，易使催化剂堵塞和中毒,SCR法脱硝技术在水泥工业上应用在国际上还没有太成熟的使用工程案例。
SCR水泥窑脱硝技术目前还处于探索试验阶段，全球仅三条水泥生产线试运行：
德国Solnhofen水泥厂、意大利Monselice水泥厂及意大利Calavino水泥厂。
SCR脱硝反应器示意图德国波特兰水泥厂SCR烟气脱硝反应器
7.1.3低氮燃烧技术（分级燃烧）
低氮燃烧技术主要分为两个部分，一是在回转窑内通过使用低氮燃烧器，火焰降低峰值温度，减少热力型NOx的产生，同时在火焰内部形成局部还原气氛使得部分NOx能够被还原，从而使得热力型NOx降低10~20%；二是通过三次风分路供风和分路供煤两个措施在窑尾分解炉内制造局部强烈的还原气氛，使得NOx在分解炉内发生如下反应,进而减少NOx总量，降低NH3的消耗量。
NOx+4CO+O2→CO2+N2
分级燃烧的主要优点就是一次性投入后永久受益，可以有效降低脱硝系统的运行费用，据测算可降低10~20%的NH3消耗量，有效降低成本，无论是SNCR系统还是SCR系统，都应该增加低氮燃烧技术的基础上进行设计。
7.1.4结论
通过以上比较，在现有水泥窑脱硝要求和技术成熟度上，SNCR适应我国水泥窑炉NOx减排要求。
该项目选用SNCR技术。
表4.1SNCR与SCR水泥窑炉应用比较
项目
SNCR
SCR
投资
低
高
建设周期
2个月
4～6个月
水泥窑炉应用成熟度
成熟
工业化试验阶段
运行费用
3-7元/吨熟料
3-9元/吨熟料
有无催化剂
无
有
还原剂
氨水、尿素
液氨、氨水、尿素
应用温度
850-1150℃
300-420℃
NOx减排效率
≥50%
70-95%
氨逃逸率
≤10mg/Nm3
≤3.8mg/Nm3
综合性价比
高
低
7.2氨水和尿素两种还原剂的比选
7.2.1氨水和尿素的特性
脱硝还原剂选择是整个脱硝系统中很重要的一个环节。
在SNCR脱硝系统中，还原剂是最大的消耗品。
其消耗成本直接影响到脱硝系统的整体经济评估。
目前，脱硝系统最常用的还原剂有氨水和尿素。
氨水的特性：
氨水与无水氨都属于危险化学品。
氨溶液：
10%<含氨≤35%的氨溶液，危险货物编号为82503；用于脱硝的还原剂通常采用20%～25%浓度的氨水。
无色透明液体，易分解放出氨气，随温度的升高，分解氨气的速度越快。
如果溢出，氨水液体扩散范围较无水氨小，浓度范围较易控制。
但有强烈的刺激性气味，因是液体不需压力容器储存，相对安全。
尿素的特性：
尿素是白色或浅黄色的结晶体，易溶于水，水溶液呈中性反应。
不同尿素浓度的水溶液有不同结晶温度，40%（重量）尿素水溶液结晶温度约2℃、50%（重量）尿素水溶液结晶温度约18℃。
与无水氨及有氨水相比，尿素是无毒、无害的化学品，是农业常用的肥料，无爆炸可能性，没有危险性。
尿素在运输、储存中无需安全及危险性的考量，不须任何的紧急程序来确保安全。
7.2.2不同还原剂的占地情况
对于尿素来说，由于是安全可靠的还原剂，不存在以上的限制。
且占地相对较小不足250m2，不含尿素存储需要空间。
氨水还原剂系统仅需考虑氨水储罐的位置，占地面积小，其占地约为200m2左右。
7.2.3脱硝反应的适应性
氨水与尿素在水泥窑炉SNCR上应用有相应的条件要求。
它们所适应的温度窗口不同，简单的叙述为，尿素的最佳反应温度比氨水的最佳反应温度高，氨水在850℃范围可达到较佳的反应效率（但根据不同炉型、工况会有变化），而尿素需要达到900℃以上内才能有较好的反应效果。
分解炉内的气氛会直接影响SNCR的反应效率，如二氧化碳和一氧化碳浓度。
同比条件下，分解炉内部分其它气体浓度对尿素的影响程度大于氨水。
氨水对分解炉SNCR脱硝技术的适应性较强。
根据检测该窑炉的气氛良好，C1出口CO浓度稳定小于200ppm，分解炉内温度大于900℃，较适应尿素的使用。
7.2.4性价比比较
1）供应价格
氨水（20%）供应价格在800元/吨（到厂价）。
尿素为农业用肥料尿素的供应价格约为2300元/吨（到厂价）。
2）综合成本比较
根据该项目的烟气参数等基础数据计算，1#线设计原始氮氧化物浓度按900mg/Nm3，系统风量标况10%氧含量下约为370000Nm3/h，2#线设计原始氮氧化物浓度按700mg/Nm3，系统风量标况10%氧含量下约为425000Nm3/h，最终排放目标浓度按300mg/Nm3计算。
表4.2氨水与尿素两种还原剂使用浓度下的消耗成本表
氨水（20%）
尿素（30%）
备注
耗量kg/h
成本￥/h
耗量kg/h
成本
￥/h
还原剂耗量
1240
992
500
1200
含运费价格
蒸汽消耗
0
0
270
40
蒸汽300℃，0.5MPa。
价格按150元/吨
工艺水消耗
0
0
880
8.8
软水价格10元/吨
小计
-
992
-
1248.8
元/小时
根据以上计算可知，运行成本上尿素稍高，氨水（20%）具有优势。
7.2.5结论
从现有尿素和氨水的市场价格比较，供应情况，以及对水泥窑炉脱硝的适应性。
综合比选选用氨水、尿素双还原剂，实现灵活转换。
表4.3尿素和氨水两种还原剂综合比较
项目
氨水（20%）
尿素
还原剂费用
低
稍高
电耗
低
稍高
水耗
微量
中等
蒸汽消耗
无
需要
人力
无需新增人
2人
安全性
要求稍高
无特殊要求
储存条件
常规大气压
常规大气压，干态
储存方式
液态（箱、罐）
微粒状（料仓、袋装）
7.3总体比选结果
通过以上分项比较，山东山铝水泥有限公司该水泥窑脱硝工艺应选用选择性非催化还原脱硝（SNCR）技术，还原剂选用氨水（15~20%）。
减少NOx的生成，降低生产运行成本。
8、项目的总体研发目标及考核指标、阶段目标和考核指标
经改造后的窑尾烟气NOX排放浓度小于400mg/Nm3,满足已经出台的山东省地方标准要求。
项目进度计划
（1）2013年10月，可研报告编制上报，按要求修改完善，争取立项，责任人：
汪洪伟。
（2）2013年11月，技术调研，方案设计，明确技术路线，确定项目分工，责任人：
郭宝强、汤辉。
（3）2013年12月，技术试验攻关，签订设备采购合同，安装调试，优化工艺，责任人：
郭宝强、范文礼、汤辉。
（4）2014年1月，总结完善，形成工艺及操作文件，完成技术总结报告，达到考核指标，责任人：
郭宝强、范文礼、汤辉。
9、项目的总经费预算
项目
费用（万元）
设备购置费
310
安装费用
20
建设费
20
合计
350
主要投资在脱硝系统的设备采购，包含还原剂存储系统、循环模块、稀释计量模块、分配模块、喷射系统、控制系统、电气系统等部分，约350万元。
主要设备表：
序号
设备（部件）名称
规格/型号
单位
数量
参考价格（万元）
备注
1
还原剂储存系统
套
1
150
2
循环输送计量模块
台
1
80
3
分配系统
套
2
60
4
还原剂喷射系统
套
2
20
5
其他
40
6
合计
350
10、项目的经济效益
经过初步调研预测，实施改造后，可使水泥窑废气的氮氧化物NOx排放达到400mg／Nm3以下，大大减少了氮氧化物的排放,可以达到国际先进水平。
水泥窑废气脱硝即大力减低氮氧化物的排放，是保护环境、改善民生的重大举措，虽然没有直接的经济效益，但是可以取得多重环境效益和巨大的社会效益。
环保风险分析
①脱硝工程实施前后主要污染物排放情况
脱硝前烟气中污染物排现状
表6.1大气污染物排放现状
项目
数据
备注
烟囱出口O2含量（%）
10
实测值
烟囱出口浓度（mg/Nm3）
900
折算值（折算为O210%）
700
NOx年排放量（t/a）
<4540
按两条生产线年生产300天计算。
②脱硝后烟气中NOX排放状况
本工程烟气脱硝技术采用选择性非催化还原脱硝SNCR技术，设计脱硝效率不低于60%。
工程投入运行后，按照废气NOx排放浓度不高于300mg/Nm3，两条生产线年生产300天计算，NOx年排放量可降至1717吨以下。
③NOx的污染防治措施
本次改造将水泥生产线进行SNCR脱硝技术改造，氮氧化物排放浓度≤300mg/Nm3，脱硝效率能力值达60%以上，窑尾排放烟囱处氨逃逸≤8mg/Nm3。
④防治措施及影响分析
建筑施工噪声
在基建施工时，使用的施工机械和车辆均产生施工噪声。
施工机械的噪声水平为75～98dB（A）。
据一般施工场地噪声监测结果，预计在项目施工过程中昼间影响距离为55～65m；夜间影响距离为100～150m。
由于工程建设在水泥厂生产区内部，除有少量生产人员外，无其他居民，不会产生扰民问题，影响很小。
⑤氨水安全环保措施
该项目所用的氨水采用委托运输。
按国家重大危险源的规定，现场使用的氨水存储量未列入重大危险源范畴。
11、项目负责人
项目负责人简介：
汪洪伟，44岁，安全生产科科长，高级工程师，一直水泥生产工艺技术及装备研发工作，具有深厚的理论基础和丰富的实践经验。
序号
姓名
性别
年龄
职务名称
业务专业
在项目中承担的任务及作用
工作单位
为项目耗工时
1
郭宝强
男
48
安全生产科副科长
工艺
项目执行
山东山铝水泥有限公司
240
2
范文礼
男
40
一车间主任
机械
项目执行
山东山铝水泥有限公司
240
3
汤辉
男
42
安全生产科科员
电气
项目执行
山东山铝水泥有限公司
240
附图：
工艺流程
升级会员 