李建锡：水泥窑脱硝不可依靠氨水 无氨脱硝可实现
水泥 中国水泥网信息中心 2016-10-08
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水泥氮氧化物的污染问题一直是社会关注的重点，近年来SNCR技术的应用大大降低了氮氧化物的排放量，但也给水泥企业带来了一定的成本压力。水泥窑烧成系统专家、昆明理工大学高级教授李建锡认为，氨水本身具有污染性，在环保日益严苛的情况下，使用氨水还原氮氧化物并不能达到减排的目的。在他看来，水泥窑脱硝必须减少氨水的使用，如此方可达到节能环保的目的。
水泥窑烧成系统专家、昆明理工大学高级教授李建锡
由李建锡带头研发的“水泥窑无氨脱硝、高产、节能一体化技术”可以在不用氨水、尿素、催化剂等条件下，达到脱硝40%以上的目标，使NOx排放浓度大幅度降低达到国家标准，同时大幅节能、提产，大大减少了对空气的污染。
在“2016第四届中国水泥节能环保技术交流大会”上，李建锡带来了《水泥窑无氨脱硝高产、节能一体化技术》报告，分析了我国水泥窑炉NOx控制技术现状，阐明了研发“水泥窑无氨脱硝高产、节能一体化技术”的意义及其作用。
一、 项目的意义
2012年全国氮氧化物排放量2273.6万吨，主要集中在火电、水泥和机动车行业。水泥行业占30%，约600多万吨。
2013年全国水泥排放氮氧化物约600万吨，约占全国氮氧化物排放总量的30%， 仅次于电力行业和机动车尾气排放， 位居第三。
2014年我国水泥产量为24.14亿吨，水泥企业近3624家。水泥煅烧产生大量NOx，排放浓度为500mg/Nm3~2200mg/Nm3，每吨熟料约产生1.5kg~1.8kg氮氧化物。
《我国国民经济和社会发展十二五规划纲要》，明确提出“十二五”氮氧化物减排10%的约束性指标，对脱硝技术提出更高的要求。
所谓无氨脱硝，就是大幅度地降低水泥窑氨水以及尿素的使用，而减少50%甚至于完全不用氨水才叫大幅度降低。降低生产成本是使用“水泥窑无氨脱硝高产、节能一体化技术”的次要原因，更重要的原因在于使用氨水脱硝对水泥企业的总体工作来讲根本不具备减排的意义，因为氨水本身具有污染性，我们不能用一个污染源去治理另一个污染。使用氨水脱硝是种过渡技术，我预测，五年后水泥厂的氨水用量会大幅度下降，甚至有些厂就直接不用氨水来脱硝了，将来水泥厂脱硝的方向一定不是依靠氨水。
二、我国水泥窑炉NOx控制技术现状
现在在脱硝领域有三个主要技术，选择性催化还原（SCR）技术、选择性非催化还原（SNCR）技术和炉内燃烧控制技术，前面两个技术需要用到氨水。
1、 选择性催化还原（SCR）技术
基本化学原理
选择性催化还原法(SCR)是工业上应用最广的一种脱硝技术，反应温度一般为300～450℃，理想状态下，可使NOx的脱除率达90%以上， 是目前最好的固定源NOx治理技术，但还是使用到了氨水。
SCR在水泥窑炉上应用的问题：
（1）烟尘中颗粒物会堵塞催化剂，必须安装吹灰器；
（2）烟气中的碱性物质、CaO和SO2会使催化剂中毒；
（3）如果将SCR安装在除尘器的下游，必须安装烟气再热器，加热烟气到催化剂的最佳工作温度。
2、 选择性非催化还原（SNCR）技术
SNCR工艺的主要化学反应
在这一技术中，尿素、NH3均可作为还原剂。温度过高时氨会和氧反应生成NOx；温度过低则会使NOx还原反应的速率过低，造成原烟气中有过量的氨逃逸或是生料物料上有氨沉积。因此必须寻找合理的氨气喷入位置，达到适合SNCR反应的温度区间。
SNCR技术的优点是固定投资少、设备简单、不用催化剂、初期投资少、系统简单，并且易于实施。
但这一技术的脱硝效率低，一般低于<40%，同时运行成本较高，对反应温度要求高，需要准确控制反应区内的温度；SNCR技术需要比较高的NH3／NOx值（一般大于1），部分NH3被产品吸收。从国家层面讲，这一技术不具备减排意义。
3、炉内燃烧控制技术
现在炉内燃烧技术有很多，炉窑内分级燃烧、采用低氮燃烧器、采用专家控制系统等，最典型的是分级燃烧(SCC)。SCC采用分级加入燃料和空气，使NOx形成降到最低，物料加入方式来降低NOx放热排放。通过调整燃烧空气量，使得焙烧燃料最初是在还原性气氛中燃烧，以降低NOx的生成，然后再在氧化气氛中完全燃烧；通过控制生料的加入量来调节焙烧温度；引入三次风来调整焙烧器中还原性气氛，使其达到适宜的还原气氛，采用这种方式的SCC技术可降低热力型和燃料型NOx。
Florida Rock Industries的空气-燃料分级SCC
带有转窑入口喷燃器的Polysius MSC-SCC
美国Titan水泥厂的燃料-空气顺序分级
SCC分级燃烧技术在美国PH/PC水泥窑上的业绩
现在很多分级燃烧做得不是很理想，主要的问题就是煤，把煤从上面移下来两次，分风两次，这是不行的。脱氮技术需要考虑到提产、节能和减排问题，其中降低氮氧化物的排放实际上比提产、节能更敏感。脱硝工作是一个系统，不是简单地把某个环节解决了就行，而是整个窑系进行整体的。[Page]
三、高产、节能、无氨脱硝集成一体化技术简介
“高产、节能、无氨脱硝集成一体化技术”的概念由李建锡博士课题组在2000年首次提出（大幅提高新型干法窑产量的新方法探讨， 《新世纪水泥导报》2000年 第1期）。2002被列为国家高科技计划项目（“863”计划）。课题组长期从事水泥技术的研究与开发工作，对水泥新工艺、水泥窑炉中煤的燃烧规律及分解炉的优化设计和计算机数值模拟仿真及预热器分解炉结皮堵塞，有深入研究。
“高产、节能、无氨脱硝集成一体化技术”为新一代水泥煅烧技术（即水泥熟料预烧技术），源于国家“863”高科技项目。获2009年度国家科技进步二等奖、湖北省科技进步二等奖、2005年度教育部科技进步二等奖及云南省2006年度科技进步三等奖。
“高产、节能、无氨脱硝集成一体化技术”可以实现的基本效果为：
脱硝40%以上——可达到不用氨水、尿素、催化剂等条件下， NOx排放浓度大幅度降低达到国家标准，最低可以降到25mg。同时大幅节能、提产，大大减少了对空气的污染。
节煤5%-15%——分解炉燃尽率、热效率高，在降低NOX排放的同时大幅降低煤耗，节约实物煤耗5~20kg/t。
提产5~20%——采用煤的预燃及强化燃烧技术，可使窑产量大幅提高5%以上；分解炉对煤种的适应性强，特别适用于低劣煤及挥发很低的煤种（如无烟煤，高灰份（45%）低质煤、高硫煤等），降低水泥熟料的生产成本。
需要注意的是，一次性解决高产、节能、无氨是有条件的，每个环节都要达到要求。
四、“高产、节能、无氨脱硝集成一体化”技术原理简述
氨水能够脱氮是因为它有还原作用，煤也有还原作用，本技术同样需要还原剂。因此，这一技术首先是采用分解炉高强还原燃烧控制技术，分级燃烧是把部分煤还原，我们的技术是百分之百的分解，通过其他的一些配套技术改造，大幅减少窑尾烟气的NOx含量及分解内由燃料自身带入的NOx量，还原和脱除NOx。
其次需要控制和优化窑炉煤量比，将高温燃烧（窑头）用煤量大大减少、减轻回转窑烧成负担，提高燃烧效率，降低因窑头高温产生的热力NOx。
我们把整个过程作为一个系统来处理，这个系统包含以下几个方面：
1、分解炉高强还原降氮技术
与现行的“分级燃烧”技术不同，本技术将水泥熟料煅烧系统看成一个系统整体性的“大分级燃烧”，即由窑头高温煅烧用煤构成主燃烧，形成NOx，窑尾分解用煤构成再燃烧，可消除NOx。
也就是说，全部窑尾煤构成一个高强还原区，将窑头高温煅烧形成的NOx高效还原。
根据这一原理设计出专业无氨脱硝强化燃烧分解炉，无分风、分煤工艺，具有一方面将氮氧化物在燃烧过程中还原脱出，另一方面可将入窑物料在不结皮堵塞的条件下分解率和温度提高，形成前述的烧成系统的燃烧控制技术。
2、头尾煤比优化控制技术：
调整合适的头尾煤用量比例，适当减低头煤用量；在降低头煤的同时，保证窑煅烧的正常进行，煤耗下降；增加分解炉用煤比例的同时，保证不过烧，预热器分解炉不结皮堵塞，同时达到强化煅烧的目的。
热理论计算表明，当物料完全分解，且温度在1100℃以上时，后续的固相反应带的放热量（约434.33kJ/kg熟料）基本可提供物料自身加热至1400℃，且完成C3S的合成和物料部分熔融等熟料最终形成所需的几乎全部热量（约463.6kJ/kg熟料）而无需额外供热。见下图所示：
基本原理简述
因此，回转窑用煤的作用主要有两个：
一是提供热生料残余CaCO3分解所需的热量。二是提供对窑筒体散热损失的补偿热量。
根据熟料合成热的这一特点，回转窑内所需传热量可大幅减少，窑头用煤与窑尾分解炉用煤比例可发生变化，从现行的窑：炉=40：60的比例大幅降低至30：70或甚至更低。
从基本原理简述图中可以看到，在这一过程中实际上只有43KJ的热量需要做功。到1100℃的时候我们需要417KJ的热量，后面五分之四的窑需要的热量才43KJ。当然30:70这个比例也不是一下子就能达到的，这是有一个适应过程的，而且要有设备的保证，所以要进行一定的改造。[Page]
五、作用
（1）提高产量
在提出这一技术的时候，我们当时预计从理论上来讲，4米窑的产量可以翻倍。
设原预分解回转窑窑内烧煤量不变，以原来的产量为基准，令m为原窑产量的倍数，则可建立如下回转窑的热平衡（采用Ø4.0回转窑，产量2000t/d数据计算）：
热收入：
1 入窑物料带入的热： Q物入=m·Cm·1000℃=1090·m kJ/kg熟料
2 窑头二次风带入的热：Q二次风=577.33 kJ/kg熟料
3 窑内烧成带熟料温度从1450℃下降到1300℃所提供的热：Q冷却带=1.091×150℃·m=163.6·m kJ/kg熟料
4 煤燃烧的放热： Q煤=3200×0.4=1380 kJ/kg熟料
热支出：
1 烟气带走热：Q烟气=1150℃×1.9×0.483=1055.36 kJ/kg熟料
2 熟料带走热： Q熟料=1300×1.091·m=1418.3·m kJ/kg熟料
3 物料在窑内化学反应及升温吸热：Q反应=153.1 kJ/kg熟料
4 窑筒体表面散热： Q散热=150 kJ/kg熟料
故：1091m+577.33+163.65m+1380=1055.36+1418.3m+153.1m+150
解此方程后得： m=2.06
由此可见，假若分解炉入窑物料已完全分解，且温度提高到1000℃时，理论计算窑的产量可较原预分解窑提高一倍左右。这一理论计算表明了，现行回转窑尚具有十分可观的提产空间，采用本技术及其相关理念，可以大幅改善窑的煅烧环境，提高效率。
（2）降低热耗
采用预烧技术，可减少回转窑传热效率低产生的问题，具有传热效率极高的特点。充分利用在回转窑内物料发生的固相放热反应，使回转窑内物料传热量极小，因而回转窑烧成效率将显着提高。
(3) 对降低NOx的作用
新型烧成技术总体情况
六、案例（以资阳维鼎为例）
此报告为原资阳维鼎水泥厂，采用“高产、节能、无氨脱硝集成一体化技术”预热器及分解炉测试结果：
从该表可见，由于采用“高产、节能、无氨脱硝集成一体化技术”，在未用氨水脱硝之前，实测NOx已经低于350毫克水平。
在该案例中，采用“高产、节能、无氨脱硝集成一体化技术”后达到了提质增效、降氮脱硝的目的。[Page]
（一）提产增效
技改前投料145t/h
技改后投料220t/h以上，平均投料为200-220t/h。技改前平均投料175t/h，为企业增产20%。
照片为中控记录
由表可见，中控投料215t/h，头煤6.1t/h，尾煤14t/h，煤发热量5000kcal/kg，折算为熟料标煤耗108kg/t。
（二）降氮脱硝
氮氧化物排放可稳定在200mg/Nm3左右。
图为氮氧化物排放逐步降低的趋势线。由图可见可见氮氧化物排放可低至25mg/Nm3。
氮氧化物263mg/Nm3
七、项目效益分析
1 经济效益分析
该项目基本技改投资小，收益较好。以2500t/d水泥生产线为例，实施该项目，总投资在150万-250万之间。按原来喷氨水计算，每吨水泥氨水费用为3元-6元。生产线按每年300天计算，预计生产熟料75万吨，需要氨水费225万元-450万元。用项目实施后，每年节约氨水费225万元-450万元，整个投资回收期为0.5年。加上节能提产，效益更可观。
2 社会效益分析
水泥工业窑炉主要排放的 NOX排放到空气中易被氧化形成性质比较稳定的 NO2，使得大气中氮氧化物的含量升高。NOX不仅直接对大气造成一次污染，危害动物呼吸系统，破坏大气平流层臭氧层，是光化学烟雾和酸雨形成的重要物质，也是主要的温室气体之一，对自然环境有巨大的危害，因此，作为重要的 NOx排放工业之一的水泥工业，控制和减少 NOX的排放具有显着的环境和社会效益。
干法水泥生产线减少或不用氨水，实际上是减少了环境的二次污染，进一步减少了干法水泥生产线生产环境的一重大隐患，提高了干法水泥生产安全效益，减少了生产氨水的社会资源用量，实现了水泥生产线真正的资源节约和节能减排。
3 应用前景分析
由于本技术专利具有独创性，将在全国乃至国外都有较强竞争优势。
国内外目前对空气治理十分重视，中央对此高度关注，对NOx排放具有严格的管理措施，对偷排行为严厉打击。
氨水法从本质上并未减低空气污染，且增加水泥生产成本，不是大气治理的发展方向。
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