随着国内水泥行业超低减排政策的逐步实施，水泥窑烟气NOx、SO2和粉尘治理是实现超低排放的关键技术之一。广东南大环保有限公司结合国内水泥窑生产工艺特点，开发出窑尾烟气“高温高尘SCR脱硝技术”和“窑灰-石膏湿法脱硫除尘一体化技术”，具有高效稳定的显著特点，可以确保NOx含量≤50mg/Nm³、氨逃逸≤5mg/Nm³、SO2含量≤30mg/Nm³、粉尘含量≤10mg/Nm³的排放要求，并能实现整套脱硝、脱硫装置同步窑运转。已取得全国近六十台套水泥窑SCR脱硝、脱硫技术示范工程业绩并成功投运，各项指标均实现超低排放标准，对我国水泥行业NOx和SO2深度减排具有重要的引领示范作用。
二、水泥窑NOx控制技术
1、水泥窑NOx来源
在水泥熟料煅烧过程中，NOx主要来源于高温燃料中的氮和原料中的氮化合物。由于炉内高温的环境且含有大量O2，一系列的化学反应将因此发生而产生NOx，根据反应机理的不同可以将NOx的形成分为热力型、燃料型、瞬时型。
2、技术路线
水泥窑NOx控制技术目前主要有：
1）燃烧前控制技术，使用含氮量低的燃料；
2）燃烧过程控制技术，通过改变燃烧条件的方法来降低NOx排放，也称为低氮燃烧技术，技术相对简单，并且经济有效，水泥行业采用也较多，但其对NOx的脱除效率不高。
3）燃烧后控制技术，就是对含NOx烟气进行处理，主要有SNCR、SCR，其中SCR脱硝效率可达90%。
随着水泥技术的发展和环保标准要求的提高，采用低氮燃烧+SNCR+SCR技术，可以实现NOx超低排放目标。
3、高温高尘SCR脱硝技术
高温高尘SCR脱硝技术是目前最成熟的脱硝深度治理技术，SCR脱硝系统烟气取自水泥窑尾预热器C1出口的位置，见上图，这也是最适合该工艺的位置。SCR的反应机理比较复杂，化学过程是以氨为还原剂，在一定温度和催化剂的作用下，将烟气中的NOX还原成N2和H2O；反应方程式： 脱硝效率高，NOx≤50mg/Nm³，氨逃逸量≤5mg/Nm³；反应温度：280-360℃；脱硝后的烟气经过高温引风机进入余热锅炉，反应器底部的灰经输灰系统进入窑尾回灰系统。增加的SCR脱硝反应器给水泥窑增加了系统阻力，增加阻力约1000Pa，因此视高温风机使用情况进行改造。增加SCR系统后原有SNCR系统根据实际工况配合使用。通过使用高尘布置系统，可以减少系统所需要的设备数量。这样不仅节省了投资成本，也节省了运营成本。SCR脱硝装置放置在预热器后，所以完全适应水泥生产工艺。出预热器最后一个旋风筒后烟气的温度也正适合催化剂的工作温度，因此不需要额外的加热，也不需要额外的设备。南大环保在SCR技术上的优异表现也得益于多年在SNCR技术上的经验积累，在高温高尘SCR脱硝系统中攻克了多个关键技术，如反应器工艺结构设计、流场模拟设计、催化剂选型以及清灰系统的设计均进行了很大程度的改进和优化措施。SNCR系统基本已经成为每个水泥厂的标配，如果与SCR系统相结合组成一个优化的系统，可以确保最低的投资和运行成本。这套系统也高度灵活，可以应对不断变化的运行条件。目前，台泥（重庆）水泥有限公司2#线5000TPD窑尾SCR脱硝系统由我司总包建设，试运行生产各项性能指标均能满足要求。水泥行业烟气中SO2主要来源于原料及燃料中的硫化物和单质硫，由于水泥窑工艺本身的特点，水泥窑生成的大部分SO2在自身工艺中脱除掉，但仍有不少水泥窑尾烟气SO2排放浓度过高，需要治理。对于水泥窑脱硫技术来说要遵循以下原则：（1）技术要成熟可靠，脱硫效率要高且稳定；（2）排放必须达到国家环保及当地环保的要求；（3）脱硫技术不影响水泥窑正常生产；（4）脱硫处理后不产生二次污染：零排放；（5）所选择的脱硫技术的投资：投资合理、运行费用低（6）脱硫技术可以适应水泥窑工况的波动而不影响脱硫效率。目前水泥窑主要的脱硫方法有热生料喷注法、氨水法、复合脱硫法及湿法脱硫等方法。相较于其他工艺路线，选择窑灰-石膏湿法脱硫的工艺是最佳技术路线，是目前水泥行业脱硫的最佳选择。湿法脱硫技术作为全世界应用最广泛最高效的脱硫技术，在多个行业内成功应用，也是水泥行业脱硫的首选技术方案。针对水泥工艺自有特点，南大环保自主研发了国内首创的窑灰-石膏湿法脱硫技术，自2014年8月份在华新水泥（涪陵）有限公司4500t/d水泥窑首次成功应用以来，已经取得全国近六十台套水泥窑脱硫技术示范工程业绩，为我国水泥行业二氧化硫减排积极贡献。
窑灰-石膏湿法脱硫工艺流程
作为脱硫剂的窑灰中CaCO3含量一般在75-80%，剩余部分为AL2O3、SIO2、Fe2O3等无法参与反应的物质，这些杂志颗粒很细，长时间运行会在脱硫浆液中富集，严重影响脱硫石膏的结晶过程和脱硫反应效率，进一步会引发浆液“中毒”，脱硫失效，烟囱SO2排放超标。南大环保根据水泥工艺自身特点，在国内首创开发出窑灰脱硫技术并成功解决窑灰杂志对脱硫系统的影响，通过含杂质废水排到水泥窑自身系统（生料磨/窑头篦冷机）中进行消化处理，可以根本解决浆液“中毒”现象，保证脱硫系统稳定高效运行，也不影响水泥窑自身正常生产。南大环保根据多年水泥脱硫工程经验，已开发出脱硫除尘除雾超低排放协同治理方案，已成功在海螺水泥、南方水泥、宏昌水泥等应用。主要技术路线为在脱硫塔内沿烟气流动方向设置脱硫增效装置、安装优化设计的高效喷淋层、安装式高效除尘除雾装置，且采用模拟流场进行设计。此技术特有的三高一低（即脱硫效率高、除尘效率高、除雾效率高、电耗低）等优点，使脱硫工艺更加优化，系统稳定性更加突出，此技术成功突破了外国技术的设计理念，成功地解决了目前烟气超净脱硫除尘除雾的技术难题，是用户可放心使用的安全、高效、节能的优选技术。
脱硫塔内设备布置图
旋流式脱硫增效器、高效喷淋和旋流式高效除雾器技术应用，通过改变烟气流动方向，增强气液湍流程度，达到增加气液碰撞频率、增加气液接触面积、提高气液传质速率，增强烟气中的微小液滴及细微颗粒物的团聚、凝并，达到高效分离去除烟气中的微小液滴和细微颗粒物，最终提高脱硫除尘的效率。实现SO2和粉尘的超低排放。水泥窑湿法脱硫运行过程中，由于脱硫塔内浆液中 CaSO3·1/2H2O不能充分被氧化，CaSO3·1/2H2O由于石膏颗粒小，粘度大，难以脱水，造成真空脱水机脱水困难。因此充足的氧化风量和有效的氧化过程是保证石膏脱水的关键。南大环保采用更加优化的氧化系统和石膏脱水系统，管网式的氧化系统，能够使氧化空气均匀与浆液接触，氧化更彻底；经南大环保多次升级调整后的高效脱水系统能确保较低的石膏含水率。
四、结语
1、南大环保水泥窑超低技术可达到：SO2含量≤30mg/Nm³、粉尘含量≤10mg/Nm³、雾滴含量≤30mg/Nm³、NOx含量≤50mg/Nm³；2、整套SCR脱硝、脱硫除尘装置同步窑运转率100%，可长期稳定运行；
作者：陈春涛
单位：广东南大环保有限公司
