阐述新疆某石灰工业窑炉脱硝工艺技术的应用
摘 要 石灰作为广泛用于建筑、冶金、化工、轻工、食品、环保及农业领域，作为经济建设不可或缺的重要原材料，其加工过程会产生大量的氮氧化物(NOX)污染物。工业加工过程需对氮氧化物的污染物进行处理，使其达标排放。本文针对新疆某活性氧化钙环保型示范项目所采取的脱硝工艺处理技术进行介绍。
王勇， 新疆有色金属 发表时间：2021-08-12
关键词 氮氧化物 烟气 脱硝 处理技术
石灰是国民经济建设不可缺少的重要原材料，不仅用于建筑与道路工程，还广泛用于冶金、化工、轻工、食品、环保及农业领域。在冶金石灰生产作业过程中，会排放出含有多类型污染物的烟气，这些烟气中还含有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害气体。所以除了冶金石灰加工过程选用清洁的燃料外，还需要对排放的废气进行净化处理，要控制冶金石灰的污染源，在石灰生产过程中就要加以控制，设立尾气净化设施，让焙烧窑炉所产生的废气通过净化设备处理，降低污染物浓度，本次以新疆托克逊县某活性氧化钙环保型示范项目所采取的脱硝工艺处理技术为具体实例，进行脱硝处理技术的介绍。
1 项目简介
新疆托克逊县某活性氧化钙环保型示范项目是以湿法电石渣为生产原料，以兰炭炉尾气为燃料，经过煅烧生产活性氧化钙(CaO%≥85.0%)，属于技术创新研发项目。
项目运用高效的闪蒸干燥、补偿式双热源动态煅烧技术，脱去物料中的 H2O 生成氧化钙，将电石渣 Ca(OH)2变成氧化钙产品。项目产生的煅烧废气采用低氮燃烧、低氧配风、脱硝处理等手段处理达标后煅烧废气回用于石灰窑及干燥系统进行余热利用。
2 脱硝技术应用
煅烧排放的SO2 、NOx主要为燃料中所含有的S、 N等元素在高温燃烧过程产生的尾气。窑炉排放的烟尘、SO2 、NOx浓度均高于《大气污染物综合排放标准》及《工业炉窑大气污染物排放标准》，如果不对这些污染物进行及时有效的处理，那么势必会导致环境空气质量的污染现象越来越严重。
烟气中氮氧化物处理阶段一般分为前期处理、燃烧过程控制和后期烟气脱硝。燃烧前期处理是对燃料进行脱氮处理，无工业应用;燃烧过程控制主要是改善燃烧状态，控制过量空气、燃烧温度;后期烟气脱硝技术主要是非催化还原反应(SNCR)技术、催化还原反应(SCR)技术和联合脱硝技术(SNCR + SCR)[1] 。另外还有微生物法、电子束发、活性炭吸附法等技术，但均因运行成本、操作难度等原因未得到工程应用与推广。
现有的脱硝设备种类多，分为湿法和干法两大类，由于湿法脱硝投资较高、设备及工艺过程较复杂、效率一般、会产生大量的废水和需要二次处理法的废弃物等诸多不利因素，所以目前还是提倡用干法脱硝[2] 。
2.1 低氮燃烧技术和低氮燃烧器
低氮燃烧技术是一种比较经济的控制氮氧化物的方法，它根据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。设备上主要是采用低氮燃烧器，工艺上有空气、燃料分级技术、还原炉膛等技术，采用冷却、循环等方式控制燃烧温度，减少空气在高温区的停留时间等，从而达到低氮燃烧的目的。低氮燃烧器是通过调整燃烧理论当量比、降低燃烧温度、降低空气浓度等技术原理，达到控制氮氧化物产生的目的[1] 。低氮燃烧技术脱硝率达到20%，低氮燃烧器脱硝率达到20%，空气分级燃烧技术脱硝率达到20%。
2.2 还原法脱硝技术
还原法是通过向烟气中加入还原剂，在催化剂的作用下或在一定的温度下，对烟气进行脱硝的方法。目前主要包括选择性催化还原技术(SCR)、选择性非催化还原技术(SNCR)，以及选择性的催化还原及非催化还原(SCR—SNCR)法。
2.2.1 催化还原脱硝(SCR)
SCR法是最成熟的尾气脱硝方法。SCR原理是在催化剂和合适的温度条件下，促使喷入的氨基还原剂同烟气中的NOX反应生成无害的氮气和水。催化剂用于促进还原剂与 NOX之间的化学反应，喷入的还原剂为气态，可采用的还原剂有氨水、尿素和液氨[3] 。还原剂原料需有各自的制备工艺，主要由还原剂存储制备系统、计量稀释组件、喷氨组件和反应器(催化剂)组成。脱硝效率可达90%以上。
2.2.2 非催化还原脱硝(SNCR)
SNCR 法中利用了烟气余热使还原反应进行。原理是氨基还原剂在 700~1100℃的温度下，同烟气中的NOX反应生成无害的氮气和水。无需专门的反应器，在烟道、允许的炉膛均可实施脱硝。喷入的还原剂一般为液态，可采用的还原剂有氨水和尿素[1] 。主要由还原剂制备系统(尿素溶液制备、存储或是氨水的存储)、高流量循环模块、稀释计量模块、分配模块、稀释水系统、压缩空气系统组成。由于工艺过程中不使用催化剂，投资与运行费用比SCR法低，但其脱硝效率低(在30~70%)，且受温度影响大，只能应用对脱硝率要求不高的行业。
2.2.3 联合脱硝技术(SNCR+ SCR)
SCR-SNCR 法就是在两种方法的基础上，进行的技术改进。SCR 一次投资过高和SNCR 无法达到现有环保要求的问题。采用投资少的SNCR作为一次脱硝，再通过SCR脱硝完成二次脱硝，其中采用的氨基还原剂可得到较好的连续利用，联合脱硝是较为经济的组合脱硝技术。这种复合方法结合了各自的优点，大大提高 NOX脱除率且降低成本及减少氨的泄漏。联合工艺系统可以用较低的设备投资，获得更好的脱除效率[2] 。
3 脱硝技术方案
项目采用兰炭炉尾气为燃料，因兰炭炉尾气中存在大量的燃料型NOX，根据同类工程经验以及监测数据，未采取措施的情况下，燃烧烟气NOX含量一般在700~1100mg/Nm3 ，远超过环保排放标准要求。项目拟采用低氮燃烧、SCR脱硝方案共同实施方式，以保证烟气达标排放。
3.1 低NOX燃烧器
热风炉自动烧嘴采用低 NOx 自动烧嘴，其特征如下：
由燃烧器、风机、煤气压力保护器、煤气调节阀、空气调节阀、煤气安全切断阀、母火烧咀(点火枪)系统、温控仪、火焰探测器、PID调节仪、程序控制器等多个部件组成。具有自动吹扫、电子点火、负荷比例调节、煤气压力保护、熄火保护等全自动运行控制的功能。
兰炭炉气在烧嘴内为两级，由内向外分别为内层兰炭炉气和外层兰炭炉气，每级由数个兰炭炉气出口组成;进入燃烧器的助燃空气分为四股，由内向外分别为点火风、一级风、二级风和三级风。
点火风处于轴心位置，一级风位于点火风管外圈，呈旋流状，量少，相对大量的中间内燃气与低速少量一级风形成负压区域内浓燃烧，以及在钝体原理作用下形成稳定中间根部火焰，能提供火焰稳定所需要的着火热，此外还能形成还原气氛。外侧燃气与二级风形成二级浓燃烧，此处二级风流速极低，风量也极小;最后外侧燃气穿过二级风域后，与三级风形成淡燃烧。浓淡燃烧产生的还原气氛，在高温下结合燃气中的H2、CH4等能将NOX还原成N2，有效抑制燃料型NOX的生成。
3.2 烟气循环燃烧
兰炭炉气的热值在 1700kCal/Nm3 左右，而所需的燃烧烟气温度为1200℃，因此按助燃空气配比，其空气系数在2左右，即燃烧烟气中O2含量将超过8%，这为NOX生成创造了高氧的条件。
针对工程实际，采用循环烟气回流、降低一次风用量，在燃烧温度、烟气量不变的前提下，降低燃烧烟气氧含量，同时做到余热回收。
该方法基于低氧燃烧的理论，通过将高温烟气与回流烟气混兑的手段，在保证燃烧器稳定燃烧的前提下，采用合理降低助燃空气中氧含量的方法实现达到降低 NOX排放的目的。助燃空气中的氧含量，助燃空气温度以及助燃空气的过剩空气系数是影响最终烟气中NOx排放值的三个重要因素。采用烟气回流方法就是利用氧含量较低(一般在 2%～ 4%)，温度较高的回流烟气与预热空气混合后降低燃烧空气中氧含量，提高助燃空气的温度的方式最终达到降低NOX排放的目的。
本项目将布袋除尘后的约 200℃的烟气通过循环风机回流至热风炉，在炉体的圆周上均布有若干循环烟气喷入口，实现循环烟气与燃烧烟气的均匀混合。
3.3 催化还原脱硝(SCR)
采用上述的低 NOX燃烧器及烟气回流技术后，烟气中NOX可降低40%~50%，但仍无法实现烟气中 NOX的达标排放。因此还需对除尘后的烟气进行脱硝处理。
脱硝系统就是将烟气中的部分NO氧化为NO2，然后采用尿素水溶液喷淋吸收烟气中的NO和NO2，并利用尿素与之发生还原反应生成氮气、二氧化碳和水，从而达到烟气脱硝的目的。
还原剂选用尿素而未采用氨水是因为尿素相对氨水价格更低、运输方便且便宜、无害、安全性好、存储方便，对设备的安全要求低，基本上无特殊要求。
尿素作为还原剂的烟气脱硝原理如下：
首先，烟气中的NO和NO2在气相中生成N2O3和 N2O4，化学反应如下所示：
2NO+O2→2NO2 2NO2→N2O4 NO+NO2→N2O3
接下来，生成的产物通过分子扩散作用从两相界面由气相扩散到液相主体。在液相中形成 HNO3 和HNO2，并分别电离成H+ 、NO3 - 、NO2 - ，生成的NO2 - 与(NH2)2CO(尿素)反应生成N2和CO2等。化学反应如下所示：
N2O3+H2O→2HNO2 N2O4+H2O→HNO2+HNO3 2NO2+H2O→HNO2+HNO3 2HNO2+(NH2)2CO→2N2+CO2+3H2O
综上，尿素脱除 NOx 的总化学反应式可以表述为：(NH2)2CO+NO+NO2→2N2+CO2+2H2O
由上述机理，NOX的去除主要是通过NO氧化，随后溶于水溶液，与尿素发生化学反应达到去除的目的。
SCR脱硝系统主要设备都模块化设计，SCR系统一般由尿素溶液[CO(NH2)2]制备系统、尿素溶液储存和供应系统、尿素溶液输送系统、脱硝主体控制系统、喷雾系统、反应器系统、烟气调节系统、检测控制系统等组成。
作为还原剂的固体尿素，被溶解制备成浓度 10%的尿素溶液，尿酸溶液经尿素溶液输送泵输送，在喷入脱硝系统之前，再经过计量分配装置的精确计量分配至喷枪，然后经过双流体喷嘴雾化后喷入反应器内，经过反应器作用，促进烟气和尿素溶液的混合，保证烟气中氨离子浓度的均匀分布，发生反应进行脱氮。
脱硝装置采用选择性催化还原法(SCR)，在焚烧炉最大工况下处理100%烟气量，系统采用压缩空气与催化剂一起喷射。催化剂采取“2+1”布置方式，催化剂采用蜂窝式低温催化剂。在焚烧炉 100%负荷时保证脱硝装置出口 NOx 排放浓度不高于 200mg/ Nm3 ，最终在窑尾排气筒上装设在线烟尘连续监测系统(CEMS)，实时连续监测烟气排放。
3.4 脱硝效果
SCR 法脱硝技术相对工艺比较成熟，还原剂采用尿素溶液制备方便，SCR脱硝系统设备完备，煅烧废气采用低氮燃烧、低氧配风、脱硝处理等手段处理后的窑炉尾气浓度低于《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)排放标准 240mg/Nm3 以及《工业炉窑大气污染物排放标准》(GB9078-1996)二级排放标准300mg/Nm3 的要求。
4 结束语
结合各工业窑炉燃烧特点和烟气的特点，脱硝工艺也在不断的创新，并且吸收和引进先进工艺，必将能满足国家的环保要求，随着时间的推移和脱硝技术的发展，各工业窑炉的脱硝工艺也将逐步更加成熟和完备。