1、水泥烧成系统脱硝技术控制规范水泥烧成系统脱硝技术控制规范编 制 说 明中国中材国际工程股份有限公司合肥水泥研究设计院2014年7月水泥烧成系统脱硝技术控制规范编制说明一、 前言随着我国社会经济的快速稳定发展，大气污染物排放量不断增加，由此引发了一系列的环境问题。“十二五规划纲要”明确提出了推进火电、钢铁、有色、化工、建材等行业的SO2和NOx的治理工作。建材行业是其中重点治理的行业之一。水泥工业作为建材工业的主要力量，产量由2000年的5.97亿吨，到2005年增加为10.6亿吨，2010年水泥产能为18.68亿吨。对应的NOx排放量分别为77万吨、136万吨、200万吨。2013年全国熟料产
2、量为13.6亿吨、水泥产量为24.1亿吨，同比增长9.6%。水泥行业是全国高能耗重污染行业，对环境的压力日趋增大。经初步估算，颗粒物排放占全国排放总量的2030%，SO2排放占全国排放总量的56%，NOx排放占全国排放总量的1015%。国家发改委数据显示：截止2010年底，国内新型干法水泥生产线已达1300多条。4000t/d、5000t/d规模水泥线占60%左右，总计800多条。2009年，中国建材研究总院和合肥水泥研究设计院共同对我国代表性的1500t/d规模以上的9条新型干法水泥窑进行了NOx测试，检测结果表明：5000t/d、2500t/d和1500t/d窑的NOx排放分别平均为：60
3、0mg/Nm3、1100mg/Nm3和1600mg/Nm3，全国新型干法水泥窑氮氧化物排放量加权平均值约为800mg/Nm3。十二五期间，NOx被纳入控制目标，各类政策法规及控制标准相继出台：1) 国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知（国发201126号）：“推动燃煤电厂、水泥等行业脱硝，氮氧化物削减358万吨”；“新型干法水泥窑实施低氮燃烧，配套建设脱硝设施”。2) 国务院关于印发国家环境保护“十二五”规划的通知（国发201142号）： 联防联控重点区域，实施大气污染物特别排放限值； 对水泥等行业SO2、NOx和PM进行控制，新型干法水泥窑进行低氮燃烧改造，新建水泥线安装效率
4、大于60%脱硝设施。3) 国务院关于印发节能减排“十二五”规划的通知（国发201240号）： 2015年水泥行业NOx排放量控制在150万吨； 推广大型新型干法水泥线，普及纯低温余热发电； 水泥行业新型干法窑实施降氮脱硝，新建改扩建水泥线脱硝效率大于60%。4) 重点区域大气污染防治“十二五”规划（环发2012130号）。水泥行业属于污染控制重点，建设、淘汰落后、NOx治理、粉尘治理等有明确要求 。5) GB 4915-2013水泥工业大气污染物排放标准、GB 30485-2013水泥窑协同处置固体废物污染控制标准等标准已于2013年12月16日由环保部批准，其中新建企业自2014年3月1日起
5、、现有企业自2015年7月1日起开始实施。新标准对环保指标的控制较严，且比多数发达国家要严格。其中NOx的指标要求为400mg/Nm，重点地区为320mg/Nm，这势必对水泥行业的带来一定压力。国内各省市在“十二五”期间也对其辖区内的水泥企业提出了NOx减排政策和要求，详见表1。表1 各地NOx减排政策序号省/市执行范围执行标准技术路径最后期限1北京市所有水泥窑270mg/Nm3“十二五”末2河北省所有水泥窑500mg/Nm3“十二五”末3山西省所有现役新型干法窑低氮燃烧+脱硝设备2014年6月4000t/d以上熟料线脱硝效率60%脱硝设备2013年底4陕西省2000t/d及以上新型干法水泥生
6、产线脱硝效率30%低氮燃烧2012年底2500t/d以上新型干法水泥生产线脱硝效率60%低氮燃烧+SNCR2013年底5杭州市所有水泥窑150mg/Nm32013年底6四川省现有2000t/d及以上新型干法水泥生产线脱硝效率40%SNCR“十二五”末新建、改扩建项目脱硝效率70%低氮燃烧+SNCR“十二五”末7湖南省所有现役2000t/d新型线脱硝效率30%低氮燃烧2013年底4000t/d以上熟料线脱硝效率60%低氮燃烧+SNCR2013年底8福建省新建新型干法水泥项目脱硝效率60%4000t/d以上新型干法水泥生产线脱硝效率60%2012年底20004000t/d（含2000t/d）新型干
7、法水泥生产线脱硝效率50%2013年底2000t/d以下新型干法水泥生产线脱硝效率30%2013年底9广东省所有水泥窑530mg/Nm3绝大多数新型干法水泥生产企业，不设置脱硝系统，很难达到这一标准，因此，采用合适的脱硝减排技术满足国家污染物减排的政策要求和法规规定已成为水泥工业氮氧化物减排技术快速发展的要务。二、 任务来源和工作简况2013年12月31日，工业和信息化部办公厅关于印发2013年第四批行业标准制修订计划的通知（工信厅科2013217号文），下达了（2013-2042T-JC）水泥工厂脱硝技术规范节能领域行业标准项目。2014年2月28日，中国建材联合会标准质量部在北京组织召开了
8、水泥工厂脱硝技术规范行业标准编制工作启动会，中国建筑材料联合会标准质量部、中国中材国际工程股份有限公司、合肥水泥研究设计院、中材装备集团、中材国际环境工程（北京）有限公司、山东天璨环保科技有限公司、江苏科行集团、广东南大环保有限公司等单位参加了会议。因该项目与住建部下达的国家标准计划重复，会议重点讨论标准名称的调整、标准范围，成立标准编制工作组，工作分工、时间节点的安排等。会后经专家协商一致，标准名称改为水泥烧成系统脱硝技术控制规范；调整负责起草单位为：中国中材国际工程股份有限公司和合肥水泥研究设计院。经过4个月的努力，标准工作组查阅了大量的技术资料和相关国家标准，并结合多年来对水泥工厂脱硝系
9、统设计、施工、安装、调试与验收及运行等方面的工作经验，起草小组于2014年7月提出了本标准的工作组讨论稿。2014年7月18日，由中国建筑材料联合会在南京组织召开了该标准的第二次工作研讨会，中材装备集团有限公司、中材国际环境工程（北京）有限公司、山东天璨环保科技有限公司、中国建筑材料科学研究总院、北京建筑材料科学研究总院、葛洲坝集团水泥有限公司等多家相关单位的专家提出了大量宝贵的意见。起草小组根据研讨会会议纪要的修改意见，对工作组讨论稿的相应条款进行了修改、细化、删节、补充和论证，于2014年8月中旬完成了征求意见稿，并以书面文稿和电子邮件两种形式发送至相关企业及相关部门的专家。本标准适用于各
10、级政府建筑材料行业主管部门、各级环保部门、各设计单位和水泥熟料生产企业对脱硝系统的设计、运行、维护等工作。三、 标准名称更改说明2014年，中华人民共和国住房与城乡建设部下达了水泥工厂脱硝技术规范的标准任务（住房与城乡建设部原行业标准计划为“水泥工厂脱硝设计规范”）。该任务的名称范围与本标准一致，为避免标准间的重复，本标准将定位为脱硝技术的控制规范。同时，为突出标准的适用性，且水泥企业生产线的NOx仅在水泥烧成系统内产生和排放。起草组将标准名称改为水泥烧成系统脱硝技术控制规范。四、 标准选用技术范围的说明现阶段，应用于水泥窑炉NOx排放控制的技术有低氮燃烧器、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术
11、、添加矿化剂、选择性非催化还原SNCR法和选择性催化还原法SCR。本标准重点考虑到脱硝技术的经济性、适用性和可操作性，且有利于推广无二次污染、成本低、但操作水平要求高的脱硝控制技术。本标准的脱硝技术控制要求主要针对窑头低氮燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧和SNCR等四种方法（SCR技术在国内水泥行业尚无实例，无法验证）。五、 标准主要技术内容说明5.1 水泥厂NOx产生环节分析目前国内水泥生产工艺主要有立窑和新型干法窑，由于立窑生产工艺存在着能耗高、污染大、水泥质量不稳定等缺点，国家已逐步淘汰立窑并向新型干法窑转变，通过近几年的发展，新型干法窑所占比例越来越大。新型干法窑的烧成工艺决定了其氮氧
12、化物的排放量比立窑高，新型干法窑吨熟料的氮氧化物排放量约为立窑的3倍。新型干法水泥生产过程中产生的氮氧化物，主要来自回转窑和分解炉，回转窑内主要是煅烧时物料熔融和矿物重结晶过程，物料温度必须超过1400，通常水泥窑主燃烧器形成的火焰温度18002200，在如此高温下，窑内气流中的氧气和氮气会反应生成氮氧化物，通常称之为热力型NOx。在水泥生产过程中，大约60%的煤粉进入分解炉，炉内温度一般在8501000之间，在此温度下，基本可以不考虑热力型NOx的形成，但是煤粉自身的氮元素会与氧气发生反应，产生氮氧化物，通常称之为燃料型NOx。水泥窑炉内产生的NOx主要有三种方式：高温下N2与O2反应生成的
13、热力型NOx、燃料中固定氮生成的燃料型NOx、低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的瞬时型NOx。简而言之，热力型NOx是由于燃烧反应的高温使得空气中的N2与O2直接反应而生成的；燃料型NOx就是由燃料中的N与氧气反应而产生的；瞬时型NOx是由于在燃烧反应的过程中空气中的N2与燃料燃烧过程中的部分中间产物反应而产生的。新型干法水泥窑产生NOx的最主要来源：窑头和窑尾的燃料型NOx以及回转窑内的热力型NOx。5.2 NOx控制技术5.2.1 降低烧成温度法水泥回转窑主燃烧器的火焰温度约为16001900，有的预分解窑系统甚至超过2000，气流在1200以上的停留时间一般超过3s，高温对减少热力型N
14、Ox不利，温度每上升100，NOx的生成量就会成倍增长。通过调整配料、加矿化剂等方法可以降低烧成温度从而减少热力型NOx的形成，但烧成温度降低会影响水泥熟料的质量，况且加入矿化剂等添加剂也会带来新的污染源，目前该技术很少使用。5.2.2电子束辐照法 电子束辐照法属于干式氨法脱硝技术，但此处的氨不是还原剂，而是中和剂。工作原理：在电子束辐照下，烟气中的O2和H2O被高能电子激发产生强氧化性的活性基团O、OH和H2O，烟气中的NOx被这些活性基团迅速氧化成NO2，并与H2O作用生成HNO3。HNO3与喷入烟气中的氨发生化学反应，产生硝铵，从而达到脱除NOx的目的。这种技术预期脱NOx效果较好，但设
15、备费用和电耗可能比较高，目前还处于实验研究阶段有待进一步完善。5.2.3 窑头低氮燃烧 低氮燃烧脱硝技术是指在传统的燃烧器基础上，通过合理减小燃烧器的一次风量，加大轴流风和旋流风的喷射风速，增加喷射风的推力，提升对高温燃烧烟气回流的卷吸作用，调整燃烧火焰周边气氛燃烧的条件，实现对火焰燃烧温度的稳定化控制，通过降低火焰峰值温度的方式实现抑制热力氮氧化物的形成。5.2.4 空气分级燃烧 空气分级燃烧脱硝技术是指在分解炉内合理布置三次风的供给，在分解炉内通过调整燃烧温度和燃烧气氛，在中下部的主燃烧区域形成碳氢基团、CO、HCN、CN、NHi等还原气氛，还原回转窑内形成的氮氧化物，剩余的三次风在分解炉
16、的上部区域加入保证尾煤的燃尽。 采用空气分级燃烧脱硝技术，燃烧速度的调整主要通过控制生料进入分解炉不同层段的分料比例和三次风进入分解炉的上下比例，燃烧速度的快慢直接影响燃烧气氛的建立，对分料阀的调整及操作优化是影响三次风分风效果的关键因素，因此对分解炉内燃料的燃烧组织和上下风量的调整优化必须进行合理的设计，才能保证在分解炉内形成预期的还原气氛控制要求。5.2.5燃料分级燃烧脱硝技术 分级燃烧脱硝的基本原理是在烟室和分解炉之间建立还原燃烧区，将原分解炉用煤的一部分均布到该区域内，使其缺氧燃烧以便产生 CO、CH4、H2、HCN和固定碳等还原剂。这些还原剂与窑尾烟气中的NOx 发生反应，将NOx
17、还原成 N2 等无污染的惰性气体，此外，煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型NOx产生，从而实现水泥生产过程中的NOx减排。利用原有分解炉煤粉输送系统，在分解炉送煤管路上，增设几台煤粉分配器，将原先进分解炉锥部的两股煤粉分成若干股，新增的若干股煤进入烟室，利用烟室部位低氧含量和气流温度高的工艺特点，让煤粉在烟室内缺氧燃烧产生还原气氛，并在高温条件下与来自窑内的氮氧化物发生反应，将氮氧化物转变成无污染的N2。当新增煤粉进入烟室时，会引起烟室区域局部高温，导致烟室结皮加重，为了解决该问题，在煤粉管路上设置煤粉增速器，让煤粉尽可能的不贴壁，不让煤粉在烟室壁上“糊墙”。同时，新增下料管，即将C4级筒
18、下料管进行分料处理，在烟室上新增一个下料点，利用生料分解吸热的特点，降低烟室局部高温。影响分级燃烧脱硝技术应用及效果的主要因素包括：原、燃料的情况、煤粉在脱硝区的停留时间、窑尾的氧含量等。1）严格控制原、燃料中的有害成分，生料中的Cl0.015%(0.02%max)，K2O+Na2O1%，硫碱比：0.61，燃料中的S1.5%，以保证系统的正常稳定；2）相对无烟煤而言，烟煤的高挥发份能够提供更多还原物质，提高分级燃烧的脱硝效率；3）窑尾烟室的氧含量越低（O21.2%），分级燃烧的脱硝效果越好。在窑尾氧含量高于3.5%时，分级燃烧难以取得明显效果；4）脱硝区空间需能够满足煤粉及还原性物质还原NOx
19、所需的停留时间。5.2.6 SNCR脱硝技术 SNCR是选择性非催化还原，其原理是：将还原剂（氨水或尿素水溶液）通过雾化喷射系统直接喷入分解炉合适温度区域，雾化后的氨与 NOx（NO、NO2等混合物）进行选择性非催化还原反应，将NOx 转化成无污染的N2和水。还原剂喷入点位置至关重要，当喷入点温度过低，脱硝效率会降低；当喷入点温度过高，还原剂会直接被氧化成N2和NO，最终也会影响脱硝效率。因此为了提高脱硝反应效率并实现NH3 的逃逸最小化，喷入点的选择需满足以下条件：温度窗口合适；喷入的位置没有火焰；还原剂在反应区域有足够的停留时间。当使用氨水时，雾化后的氨水直接与 NOx（NO、NO2等混合
20、物）进行选择性非催化还原反应，将NOx 转化成N2；当使用尿素时，尿素首先在分解炉内分解成氨气（NH3），然后再与 NOx进行选择性非催化还原反应，将NOx 转化成N2。氨与氮氧化物的反应为放热反应，这部分热量与氨水和水的蒸发所吸收热量基本相当，还原剂的喷入对分解炉热工特性及整个烧成系统热耗的影响甚微。六、 主要试验（或验证）情况分析6.1 窑头低氮燃烧 低NOx燃烧器主要通过调整控制火焰燃烧峰值区域的燃料燃烧温度和燃烧的助燃气氛调整达到降低氮氧化物排放。因此，不同燃烧特性的燃料（煤种、细度、水分等）其脱硝效果存在着较大的差异性，在操作上燃烧器调整旋流风与轴流风分配关系、冷却机操作习惯、窑炉两
21、列的配风平衡等工艺操作条件对燃烧器脱硝效果的好坏有着直接的影响。因此低NOx燃烧器的应用往往体现更多的是现场的操作优化调整上。Steinbi在五个回转窑上安装了Pyro-Jet低氮燃烧器，脱硝效率15%30%；Pillard在四个回转窑上安装了Rotaflam低氮燃烧器，脱硝效率23%47%；河南某水泥公司采用WSDD低氮燃烧器，脱硝效率15%20%；浙江某水泥厂采用DJGX低氮燃烧器，脱硝效率20%30%。6.2 空气分级燃烧空气分级燃烧脱硝技术主要是在分解炉内建设还原区脱除回转窑内产生的NOx。根据表2统计，现有水泥生产线的空气分级燃烧脱硝效率为10%25%。表2 空气分级燃烧脱硝效率厂家
22、脱硝前NOx平均排放浓度mg/Nm3,10%O2脱硝后NOx平均排放浓度mg/Nm3,10%O2脱硝效率%金隅涉县74059519.6大连水泥79864019.8金隅太行69360313.0中材湘潭88064027.36.3燃料分级燃烧燃料分级燃烧脱硝技术是指将燃料在烟室至分解炉底部不同位置送入通过不完全燃烧形成还原性气氛，在高温和还原性气氛条件下，利用还原燃烧产生的碳氢基团、CO、HCN、CN、NHi等活性基团还原回转窑内形成的氮氧化物，剩余的燃料和三次风在主燃烧区域的末端加入保证燃料的燃尽。燃料分级燃烧脱硝技术通过燃烧配风及燃烧温度调整保证在主还原区内形成有效的还原气氛，因此生料分料阀的调
23、整及助燃风的喷射控制是影响脱硝效率的主要因素。在还原气氛的控制上，应综合还原区结皮生长特点及燃烧高温区域的形成情况进行合理的调整控制。燃料分级燃烧脱硝技术也是脱除回转窑内产生的NOx。根据表3统计，现有水泥生产线的燃料分级燃烧脱硝效率为15%30%。表3 燃料分级燃烧脱硝效率厂家脱硝前NOx平均排放浓度mg/Nm3,10%O2脱硝后NOx平均排放浓度mg/Nm3,10%O2脱硝效率%东方希望66046130.2江苏金峰57345620.4华润封开91175117.6贵州黔桂46031032.66.4 SNCR脱硝技术SNCR脱硝技术在没有催化剂的条件下，利用还原剂在一定的温度窗口有选择性地与烟
24、气中的氮氧化物发生化学反应，生成氮气和水，从而减少烟气中氮氧化物排放的一种脱硝工艺。还原剂的喷入点一般是分解炉的出口，该处温度9001100，分解炉内煤粉基本燃尽，氮氧化物完全释放。SNCR脱硝技术脱除回转窑和分解炉内产生的总NOx，图1和图2统计了30家新型干法水泥窑采用SNCR（氨水为还原剂）脱硝技术前后的氮氧化物排放浓度以及脱硝效率。如图所示，SNCR脱硝效率一般在60%80%。图1 SNCR脱硝前后NOx平均排放浓度图2 SNCR脱硝效率七、 标准中如果涉及专利，应有明确的知识产权说明；本标准没有涉及相关专利。八、 产业化情况、推广应用论证和预期达到的经济效果等情况8.1 产业化情况概
25、述中国中材国际工程股份有限公司（以下简称“中材国际”）于2002年至2004年，承担了国家高技术研究发展计划（863计划）课题水泥预分解窑系统降低氮氧化物的技术研究，2008年承担国家重大产业技术开发项目降低水泥窑氮氧化物排放的关键技术开发。2009年承担江苏省科技成果转化专项资金项目新型干法水泥生产过程NOx减排技术的产业化研究。8.2产业化技术方案产业化的主要技术方案是将燃料分级燃烧和SNCR技术相结合，在烟气中NOx初始浓度不高或环保排放标准要求不高时，采用几乎没有运行成本的分级燃烧脱氮技术；而在NOx初始浓度较高或环保排放标准苛刻时，同时使用分级燃烧和SNCR两种脱氮技术，实现高脱氮效
26、率和低运行成本的目标。8.3 产业化前景随着我国工业的持续发展，由氮氧化物等污染物引起的臭氧和细粒子污染问题日益突出，成为当前迫切需要解决的环境问题。2011 年全国人大审议通过了“十二五”规划纲要，提出将氮氧化物首次列入约束性指标体系，要求“十二五”期间工业氮氧化物排放减少10%，氮氧化物减排已经成为我国污染治理和减排的重点。工业和信息化部发布的水泥行业准入条件（工原2010第127 号文件）“对水泥行业大气污染物实行总量控制，新建或改扩建水泥（熟料）生产线项目须配置脱除NOx 效率不低于60%的烟气脱氮装置”。基于国家环保部门对当前我国新型干法水泥工业NOx减排工作的实际要求，有必要将NO
27、x减排技术（分级燃烧技术、SNCR技术或集成技术）进行推广和进一步大规模产业化应用。8.4产业化应用情况中材国际开发的低NOx预热器（分级燃烧脱氮技术产业化成果之一）已成功应用于华润水泥（封开）有限公司、华润水泥（永定）有限公司、华润水泥（陆川）有限公司、黔桂发电兴义水泥有限公司等，实践证明，在原燃料、煤粉在脱氮区的停留时间、窑尾氧含量等参数满足条件的情况下，平均脱硝效率能达到30%左右。SNCR脱硝技术已成功应用于东方希望重庆水泥有限公司、溧阳东方水泥有限公司、江苏扬子水泥有限公司等30多家水泥企业，脱硝效率均稳定在60%以上。8.5、效益分析8.5.1社会效益我国水泥工业NOx的排放量高居
28、世界各国前列，由此带来的大气污染和酸雨问题十分严重，经济损失巨大，已成为制约我国经济社会持续发展的主要因素，因此控制水泥行业NOx污染已势在必行；另外，要扩大国际市场占有量，必须提升现有技术，跨越低NOx控制的技术壁垒。中材国际脱硝技术的实施和产业化推广符合国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）和国家关于两控区酸雨控制的相关政策和规划；可有效减少水泥企业的NOx排放量，提供水泥企业的效益，改善水泥企业所在地的区域环境，改变当地民众对传统水泥工业的印象，使水泥生产企业能够成为环境友好型企业；增强水泥工业对国家循环经济发展的支撑作用，提高了对污染物扩散的控制能力，在水泥工业中建立
29、起可持续发展的技术示范模式。在项目的实施过程中，还可以解决产业化基地所在地区的部分就业问题，为地方经济的发展和社会的稳定作出贡献。另外，本技术的推广和实施对提高水泥工业技术水平、合理利用煤炭、石灰石等原、燃料资源、保护环境和生态平衡以及节能降耗具有重大影响。8.5.2经济效益以东方希望重庆水泥有限公司为例，该项目对2条4800吨/天熟料生产线进行了脱硝技术改造，采用煤粉分级燃烧和SNCR（喷氨）集成技术，其经济效益分析如下：该项目材料与动力消耗包括氨水、压缩空气，除盐水及电力消耗，材料与动力到厂价见下表。 表4 材料及电力消耗价格表序号名 称不含税到厂价单位数量117%氨水元/t9002压缩空
30、气元/Nm30.053除盐水元/吨2.54电力元/kW.h0.622条4800t/d新型干法水泥生产线氮氧化物初始排放平均浓度为850mg/Nm3（约合1.94Kg.NOx/吨熟料），采用分级燃烧和SNCR（喷氨）的集成技术脱氮后，会产生一定的脱氮运行费用，但企业同时也可减少缴纳排污费用。根据脱氮效率要求的不同，运行成本会有所变化，由于分级燃烧的运行费用基本可以忽略，分级燃烧和SNCR相结合的脱氮集成技术有效的降低了脱氮成本。下表给出了不同脱氮效率下的氨水用量及运行成本。表5 燃料分级燃烧及SNCR脱硝技术运行成本分析技术方案分级燃烧分级燃烧+SNCR脱氮效率指标30%40%50%60%70%氨水消耗吨/年-1372.1 3087.1 4802.2 6860.3 氨水成本万元/年-123.5 277.8 432.2 617.4 稀释水消耗吨/年-3087.1 6946.0 10804.9 14700.6 稀释水成本万元/年-0.8 1.7 2.7 3.7 压缩空气万元/年-52.4 50.6 53.6 59.5 电耗万元/年55.4 73.8 73.8 73.8 73.8 运行费用万元/年55.4 250.4 404.0 562.3 754.4 元/吨
