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摘要：我国水泥产量多年位居世界首位。在生产水泥熟料的过程中，氮氧化物排放量大，脱硝势在必行。目前，大多数水泥企业脱硝都采用 SNCR 技术，但由于存在污染转嫁、成本高、氨逃逸等问题，关于最佳脱硝技术的争议一直存在。
本文简要介绍了水泥厂氮氧化物的生成机理。介绍了水泥厂常用的SNCR 和SCR脱硝技术，重点对SNCR的技术特点进行了阐述。
关键词：水泥厂；脱硫技术；SNCR
中图分类号：TV42文献标识码： A
引言
SNCR脱硝技术在在国外水泥炉窑脱硝得到了广泛应用，被认为是目前可用于水泥工业的最好技术，可实现高达85% 以上的脱硝效率。因此成熟的SNCR脱硝技术在我国水泥行业应用推广，将极大推动我国水泥行业脱硝进展，以实现水泥行业“十二五”脱硝消减控制目标。
一、我国水泥行业氮氧化物污染现状与产生机理
（一）水泥行业氮氧化物污染现状
氮氧化物(NOx)是空气污染物之一，对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接和潜在的危害。目前，我国拥有水泥企业近5000 家，产量已连续多年位居世界首位。2010 年全国累计水泥总产量18.7 亿吨，其中，新型干法水泥比重达到80 %。根据国家发改委的数据，截至2010 年年底，采用国内技术和装备建设的新型干法水泥生产线已经达1300 多条，日产4000 吨、5000 吨水泥生产线占60 %左右，总计800 多条生产线。水泥熟料煅烧是水泥生产的主要工艺过程，在煅烧过程中产生大量NOx 污染物。根据德国近30 年的监测，水泥回转窑废气NO 的排放浓度在300~2200mg/Nm3 之间，每吨熟料约产生NOx 1.5~1.8 kg。图1 是水泥行业近几年氮氧化物的排放情况。由图可知，氮氧化物的排放呈逐年递增的趋势，水泥行业氮氧化物的排放量已成为仅次于火力发电、汽车尾气排放之后的第三排放大户。因此，推进水泥行业的氮氧化物控制技术势在必行。
（二）水泥行业氮氧化物产生的机理
水泥熟料煅烧过程中的氮氧化物，根据产生机理的不同可以分为三种类型：燃料型NOx、热力型NOx 和瞬时型NOx。
燃料型 NOx 是燃料和原料中的氮氧化而生成的。煤中的氮主要以有机形态赋存，原料中氮含量主要以NH4+形式存在于有机组分中，由天然原材料制备的生料中NH4+含量约为80~200 g/t。德国水泥工业协会曾统计得出燃料中的氮含量范围，煤为0.5 %~2.0%，重油为0.2 %~0.5 %，替代燃料≤1 %[3]。热力型NOx 主要是在温度高于1500 ℃时，空气中的N2 和O2 反应而生成的。瞬时型NOx 是碳氢类燃料在α 另外，由于分解炉和回转窑内的温度不同，NOx 生成机理也有所差异。回转窑中烧成带火焰温度高达1500 ℃以上，除了生成燃料型NOx 外，大量助燃空气中的氮在高温下被氧化，产生大量的热力型NOx。因此，回转窑中既生成燃料型NOx 也生成热力型NOx，而且两种类型的NOx 存在相互抑制作用[4-5]。在分解炉和窑尾上升管道区域，燃料燃烧温度约为950~1200 ℃，在此温度范围内，主要生成燃料型NOx。
二、水泥行业脱硝技术研究和应用现状
目前，我国拥有水泥企业近5000 家，产量已连续多年位居世界首位。2010 年全国累计水泥总产量18.7 亿吨，其中，新型干法水泥比重达到80％。回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备，也是水泥行业氮氧化物排放的主要来源[1]。NOx 浓度影响因素主要有火焰温度、过剩空气系数及空气中的氮在火焰高温区的停留时间。水泥窑脱硝技术措施包括源头治理和末端治理。
1、源头治理技术
①采用低氮燃烧器。通过提高一次风喷出速度，降低一次风用量，提高卷吸高温二次风的能力，进行“缺氧燃烧”和“富氧燃尽”，使其避开温度过高和大过剩空气系数同时出现，降低NOx 的生成。②优化窑和分解炉的燃烧制度；包括空气分级和燃料分级两种，通过对燃烧过程进行控制，在分解炉内产生局部还原性气氛，使生成的氮氧化物被部分还原，实现水泥窑系统的氮氧化物减排。③改变配料方案，采用矿化剂，降低熟料烧成温度。
2、末端治理技术。
①选择性非催化还原法（SNCR）。在没有催化剂的条件下，在950-1050℃的温度范围内，把还原剂（氨气或尿素）喷入水泥炉窑内，还原剂与炉窑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的排放。②选择性催化还原法（SCR）。选择合适的催化剂，在350-400℃，在催化剂表面将富氧烟气中的NO 还原成N2和H2O。目前，国内外水泥脱硝业绩以SNCR 居多，欧洲建成的水泥脱硝装置中，SNCR 为70 条，SCR 仅2 条，SNCR 工艺是水泥脱硝的主流工艺。
三、水泥炉窑选择性非催化还原法( SNCR) 脱硝技术
（一）工艺流程
选择性非催化还原法( SNCR) 脱硝技术是在没有催化剂的条件下，在850 ～ 1100℃的温度范围内，把还原剂( 氨气) 喷入水泥炉窑内，还原剂与炉窑中的氮氧化物( 主要是一氧化氮和二氧化氮) 发生化
学反应，生成氮气和水，从而减少烟气中氮氧化物的排放。
在分解炉或炉膛的中下部喷入还原剂氨水，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1100℃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。
当选用氨水作为脱硝还原剂时，系统主要包括:氨水存储输送系统、稀释计量系统和分配喷射系统。有关的工艺流程图如下图 所示。
1、氨水存储输送系统
氨水槽车将氨水运到氨水存储输送系统后，经氨水卸载泵输送到氨水箱中。氨水箱上有温度计、压力表、液位计、高液位报警仪和相应的变送器将信号送到控制系统，当氨水箱内温度或压力高时报警。氨水箱下设置两台氨水输送泵( 一用一备) ，用来将氨水输送到分解炉附近的稀释计量系统。
2、稀释计量系统
氨水与来自于稀释水系统的稀释水在混合器内混合。通过控制系统监控炉膛内NOx和氧含量數据，经过计算后调节氨水流量与稀释水的流量比例，精确计量到炉内的氨水浓度，以确保锅炉的NOx排放浓度达标。
当炉膛内的NOx浓度变化时，喷入炉膛的氨量也应随之变化。若喷射器出口的流量变化太大，会影响到氨水的雾化喷射效果，从而影响脱硝率和氨逃逸。因此，需设计在线稀释系统，用来保证在运行工况变化时喷嘴中流体流量的稳定。
3、分配喷射系统
喷射系统的设计应能适应窑炉负荷变化和启停次数的要求，喷枪数量和部位由分解炉的温度场和流场来确定，并应尽量考虑利用现有的平台进行安装和维修。
还原剂喷嘴布置在分解炉850 ～ 1100℃ 区域内，氨水通过喷嘴喷出时被充分雾化后以一定的角度喷入炉膛内，同时配置雾化空气，保证氨水和烟气混合均匀。喷射系统具有良好的热膨胀性、抗热变形性和抗振性。
4、自动控制系统
SNCR 脱硝系统的控制包括氨水存储输送系统、稀释计量系统和分配喷射系统三部分，控制系统能够完成整个脱硝装置内所有的测量、监视、操作、
自动控制、报警及保护和连锁、记录等功能。脱销采用DCS 控制方式，并纳入水泥厂的DCS 系统控制。各系统设置独立的智能DCS 控制系统。根据在线监测的NOx
浓度及脱硝效率等要求，对脱硝系统的运行实现自动控制，并对关键参数进行检测。
（二）关键技术问题
1、喷嘴位置的确定
确定喷嘴位置主要考虑炉窑内部的气体温度，氨水还原NOx反应的适宜温度为850℃ ～ 1100℃。喷嘴的位置选择是否合适，直接决定了SNCR 的脱硝效率的高低。喷嘴位置的选择是整个SNCR 系统最关键的地方。
选择合适的喷嘴位置，主要通过两种途径来实现： CFD 流场模拟，来确定最佳喷射点; 通过红外线现场测试炉窑内温度分布，确定喷射位置。
2、氨水溶液的雾化要求
氨水喷入到炉窑后，要求氨水与NOx必须在很短的时间内完成反应，否则氨水就会流动到较低的温度区域，明显降低氨水还原NOx的反应程度。
为了使氨水与NOx的反应在很短的时间内完成，必须对氨水溶液进行良好的雾化。对氨水溶液进行良好的雾化，必须选择喷嘴的结构和喷嘴处的液体、气体压力和流量。喷嘴处的液体压力一般为0．4MPa，喷嘴处的气体压力一般为0．3MPa。
3、喷嘴的结构和材质
喷嘴的质量是氨水添加设备的技术关键，喷嘴化效果，其次应考虑喷嘴本身处于高温部位，应具有良好的耐热性能，不易烧损。
（三）水泥炉窑SNCR 脱硝技术需要注意的几个问题
①需严格控制窑炉尾部氨逃逸率，并严格控制运行工况，避免由于操作不当造成的二次污染。②在整个SNCR 脱硝工艺中，氨水溶液总是处于被加热状态。若氨水的溶解水和稀释水( 一般为工业水) 的硬度过高，在加热过程中水中的钙、镁离子析出会造成脱硝系统的管路结垢、堵塞。因此，必须在氨水中添加阻垢剂或采用除盐水作为脱硝工艺水。
SNCR 脱硝技术的不足之处主要有：
一是大量使用氨水，实际上是转嫁环境污染的行为。有数据显示，一条 2500t/d 熟料生产线，若 NOx 排放的初始值为 1000mg/Nm3，NOx 若要降到 500mg/Nm3以下，采用 SNCR 技术，选用氨水（浓度 25%）作为还原剂，每年需要耗费氨水 6.2 万吨，相当于 2.5 万标准煤。同时，合成氨本身就是高污染产业，这种拆东墙补西墙的做法并不明智。
二是采用 SNCR 脱硝，氨逃逸不可避免。根据国家脱硫、脱硝工程技术研究中心的数据显示，SNCR 脱硝，氨逃逸率可达到 10ppm～15ppm，造成资源浪费和环境污染。
结语
随着我国水泥行业脱硝工作的逐步开展，SNCR 和SCR 技术将被广泛应用，但是，从目前SNCR 和SCR 技术的应用情况和水泥行业的特点来看，这两种技术也存在一些弊端，但随着低温SCR 脱硝技术的发展，其在水泥行业脱硝中将会有更加广泛的应用前景。同时，随着各种脱硝技术的日趋完善和新兴脱硝技术的发展，多种脱硝技术的联合应用也是水泥行业脱硝的发展趋势。
参考文献：
[1]周磊,刘召春,張钊锋. 水泥厂SNCR脱硝技术简述[J]. 中国水泥,2012,06:55-56.
[2]丰若瑞,王静. 水泥行业烟气脱硝技术浅析[J]. 四川建材,2013,04:111-113.
[3]黄荣富,刘学炎,王岳军,杨黎,莫建松,虞廷兴,钟晓雨. SNCR脱硝技术在某水泥厂脱硝工程应用[J]. 环境工程,2013,S1:409-411+421.
本文简要介绍了水泥厂氮氧化物的生成机理。介绍了水泥厂常用的SNCR 和SCR脱硝技术，重点对SNCR的技术特点进行了阐述。
关键词：水泥厂；脱硫技术；SNCR
中图分类号：TV42文献标识码： A
引言
SNCR脱硝技术在在国外水泥炉窑脱硝得到了广泛应用，被认为是目前可用于水泥工业的最好技术，可实现高达85% 以上的脱硝效率。因此成熟的SNCR脱硝技术在我国水泥行业应用推广，将极大推动我国水泥行业脱硝进展，以实现水泥行业“十二五”脱硝消减控制目标。
一、我国水泥行业氮氧化物污染现状与产生机理
（一）水泥行业氮氧化物污染现状
氮氧化物(NOx)是空气污染物之一，对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接和潜在的危害。目前，我国拥有水泥企业近5000 家，产量已连续多年位居世界首位。2010 年全国累计水泥总产量18.7 亿吨，其中，新型干法水泥比重达到80 %。根据国家发改委的数据，截至2010 年年底，采用国内技术和装备建设的新型干法水泥生产线已经达1300 多条，日产4000 吨、5000 吨水泥生产线占60 %左右，总计800 多条生产线。水泥熟料煅烧是水泥生产的主要工艺过程，在煅烧过程中产生大量NOx 污染物。根据德国近30 年的监测，水泥回转窑废气NO 的排放浓度在300~2200mg/Nm3 之间，每吨熟料约产生NOx 1.5~1.8 kg。图1 是水泥行业近几年氮氧化物的排放情况。由图可知，氮氧化物的排放呈逐年递增的趋势，水泥行业氮氧化物的排放量已成为仅次于火力发电、汽车尾气排放之后的第三排放大户。因此，推进水泥行业的氮氧化物控制技术势在必行。
（二）水泥行业氮氧化物产生的机理
水泥熟料煅烧过程中的氮氧化物，根据产生机理的不同可以分为三种类型：燃料型NOx、热力型NOx 和瞬时型NOx。
燃料型 NOx 是燃料和原料中的氮氧化而生成的。煤中的氮主要以有机形态赋存，原料中氮含量主要以NH4+形式存在于有机组分中，由天然原材料制备的生料中NH4+含量约为80~200 g/t。德国水泥工业协会曾统计得出燃料中的氮含量范围，煤为0.5 %~2.0%，重油为0.2 %~0.5 %，替代燃料≤1 %[3]。热力型NOx 主要是在温度高于1500 ℃时，空气中的N2 和O2 反应而生成的。瞬时型NOx 是碳氢类燃料在α
二、水泥行业脱硝技术研究和应用现状
目前，我国拥有水泥企业近5000 家，产量已连续多年位居世界首位。2010 年全国累计水泥总产量18.7 亿吨，其中，新型干法水泥比重达到80％。回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备，也是水泥行业氮氧化物排放的主要来源[1]。NOx 浓度影响因素主要有火焰温度、过剩空气系数及空气中的氮在火焰高温区的停留时间。水泥窑脱硝技术措施包括源头治理和末端治理。
1、源头治理技术
①采用低氮燃烧器。通过提高一次风喷出速度，降低一次风用量，提高卷吸高温二次风的能力，进行“缺氧燃烧”和“富氧燃尽”，使其避开温度过高和大过剩空气系数同时出现，降低NOx 的生成。②优化窑和分解炉的燃烧制度；包括空气分级和燃料分级两种，通过对燃烧过程进行控制，在分解炉内产生局部还原性气氛，使生成的氮氧化物被部分还原，实现水泥窑系统的氮氧化物减排。③改变配料方案，采用矿化剂，降低熟料烧成温度。
2、末端治理技术。
①选择性非催化还原法（SNCR）。在没有催化剂的条件下，在950-1050℃的温度范围内，把还原剂（氨气或尿素）喷入水泥炉窑内，还原剂与炉窑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的排放。②选择性催化还原法（SCR）。选择合适的催化剂，在350-400℃，在催化剂表面将富氧烟气中的NO 还原成N2和H2O。目前，国内外水泥脱硝业绩以SNCR 居多，欧洲建成的水泥脱硝装置中，SNCR 为70 条，SCR 仅2 条，SNCR 工艺是水泥脱硝的主流工艺。
三、水泥炉窑选择性非催化还原法( SNCR) 脱硝技术
（一）工艺流程
选择性非催化还原法( SNCR) 脱硝技术是在没有催化剂的条件下，在850 ～ 1100℃的温度范围内，把还原剂( 氨气) 喷入水泥炉窑内，还原剂与炉窑中的氮氧化物( 主要是一氧化氮和二氧化氮) 发生化
学反应，生成氮气和水，从而减少烟气中氮氧化物的排放。
在分解炉或炉膛的中下部喷入还原剂氨水，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1100℃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。
当选用氨水作为脱硝还原剂时，系统主要包括:氨水存储输送系统、稀释计量系统和分配喷射系统。有关的工艺流程图如下图 所示。
1、氨水存储输送系统
氨水槽车将氨水运到氨水存储输送系统后，经氨水卸载泵输送到氨水箱中。氨水箱上有温度计、压力表、液位计、高液位报警仪和相应的变送器将信号送到控制系统，当氨水箱内温度或压力高时报警。氨水箱下设置两台氨水输送泵( 一用一备) ，用来将氨水输送到分解炉附近的稀释计量系统。
2、稀释计量系统
氨水与来自于稀释水系统的稀释水在混合器内混合。通过控制系统监控炉膛内NOx和氧含量數据，经过计算后调节氨水流量与稀释水的流量比例，精确计量到炉内的氨水浓度，以确保锅炉的NOx排放浓度达标。
当炉膛内的NOx浓度变化时，喷入炉膛的氨量也应随之变化。若喷射器出口的流量变化太大，会影响到氨水的雾化喷射效果，从而影响脱硝率和氨逃逸。因此，需设计在线稀释系统，用来保证在运行工况变化时喷嘴中流体流量的稳定。
3、分配喷射系统
喷射系统的设计应能适应窑炉负荷变化和启停次数的要求，喷枪数量和部位由分解炉的温度场和流场来确定，并应尽量考虑利用现有的平台进行安装和维修。
还原剂喷嘴布置在分解炉850 ～ 1100℃ 区域内，氨水通过喷嘴喷出时被充分雾化后以一定的角度喷入炉膛内，同时配置雾化空气，保证氨水和烟气混合均匀。喷射系统具有良好的热膨胀性、抗热变形性和抗振性。
4、自动控制系统
SNCR 脱硝系统的控制包括氨水存储输送系统、稀释计量系统和分配喷射系统三部分，控制系统能够完成整个脱硝装置内所有的测量、监视、操作、
自动控制、报警及保护和连锁、记录等功能。脱销采用DCS 控制方式，并纳入水泥厂的DCS 系统控制。各系统设置独立的智能DCS 控制系统。根据在线监测的NOx
浓度及脱硝效率等要求，对脱硝系统的运行实现自动控制，并对关键参数进行检测。
（二）关键技术问题
1、喷嘴位置的确定
确定喷嘴位置主要考虑炉窑内部的气体温度，氨水还原NOx反应的适宜温度为850℃ ～ 1100℃。喷嘴的位置选择是否合适，直接决定了SNCR 的脱硝效率的高低。喷嘴位置的选择是整个SNCR 系统最关键的地方。
选择合适的喷嘴位置，主要通过两种途径来实现： CFD 流场模拟，来确定最佳喷射点; 通过红外线现场测试炉窑内温度分布，确定喷射位置。
2、氨水溶液的雾化要求
氨水喷入到炉窑后，要求氨水与NOx必须在很短的时间内完成反应，否则氨水就会流动到较低的温度区域，明显降低氨水还原NOx的反应程度。
为了使氨水与NOx的反应在很短的时间内完成，必须对氨水溶液进行良好的雾化。对氨水溶液进行良好的雾化，必须选择喷嘴的结构和喷嘴处的液体、气体压力和流量。喷嘴处的液体压力一般为0．4MPa，喷嘴处的气体压力一般为0．3MPa。
3、喷嘴的结构和材质
喷嘴的质量是氨水添加设备的技术关键，喷嘴化效果，其次应考虑喷嘴本身处于高温部位，应具有良好的耐热性能，不易烧损。
（三）水泥炉窑SNCR 脱硝技术需要注意的几个问题
①需严格控制窑炉尾部氨逃逸率，并严格控制运行工况，避免由于操作不当造成的二次污染。②在整个SNCR 脱硝工艺中，氨水溶液总是处于被加热状态。若氨水的溶解水和稀释水( 一般为工业水) 的硬度过高，在加热过程中水中的钙、镁离子析出会造成脱硝系统的管路结垢、堵塞。因此，必须在氨水中添加阻垢剂或采用除盐水作为脱硝工艺水。
SNCR 脱硝技术的不足之处主要有：
一是大量使用氨水，实际上是转嫁环境污染的行为。有数据显示，一条 2500t/d 熟料生产线，若 NOx 排放的初始值为 1000mg/Nm3，NOx 若要降到 500mg/Nm3以下，采用 SNCR 技术，选用氨水（浓度 25%）作为还原剂，每年需要耗费氨水 6.2 万吨，相当于 2.5 万标准煤。同时，合成氨本身就是高污染产业，这种拆东墙补西墙的做法并不明智。
二是采用 SNCR 脱硝，氨逃逸不可避免。根据国家脱硫、脱硝工程技术研究中心的数据显示，SNCR 脱硝，氨逃逸率可达到 10ppm～15ppm，造成资源浪费和环境污染。
结语
随着我国水泥行业脱硝工作的逐步开展，SNCR 和SCR 技术将被广泛应用，但是，从目前SNCR 和SCR 技术的应用情况和水泥行业的特点来看，这两种技术也存在一些弊端，但随着低温SCR 脱硝技术的发展，其在水泥行业脱硝中将会有更加广泛的应用前景。同时，随着各种脱硝技术的日趋完善和新兴脱硝技术的发展，多种脱硝技术的联合应用也是水泥行业脱硝的发展趋势。
参考文献：
[1]周磊,刘召春,張钊锋. 水泥厂SNCR脱硝技术简述[J]. 中国水泥,2012,06:55-56.
[2]丰若瑞,王静. 水泥行业烟气脱硝技术浅析[J]. 四川建材,2013,04:111-113.
[3]黄荣富,刘学炎,王岳军,杨黎,莫建松,虞廷兴,钟晓雨. SNCR脱硝技术在某水泥厂脱硝工程应用[J]. 环境工程,2013,S1:409-411+421.