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摘要：干法水泥窑炉的氮氧化物减排迫在眉睫，水泥企业如何选择脱硝工艺，以及各种脱硝工艺的技术特点和投资费用等。文章对目前的主流脱硝技术及技术经济做了介绍。
关键词：水泥、氮氧化物、脱硝
1 水泥窑氮氧化物排放现状
经过“十一五”期间的快速发展，我国水泥产量已经达到约18.8亿吨，其中的新型干法水泥熟料产能为12.6亿吨。水泥煅烧产生了大量NOx，国外回转窑废气中氮氧化物排放浓度为300mg/Nm3～2200mg/Nm3，国内运行的新型干法水泥窑排放浓度根据一些不完整的监测数据显示，大约750～1500 mg/Nm3。
2 当前水泥炉窑氮氧化物排放环保控制标准
氮氧化物是“十二五”期间我国新增的减排指标之一，目标是5年内降低10%。目前最新颁布的GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》将火力发电行业的氮氧化物排放标准从450-1100 mg/Nm3提高到了100mg/Nm3。同时国内部分发达地区对水泥炉窑的氮氧化物排放也提高了要求：
3 脱硝技术种类
3.1 低氮燃烧技术
最常用的低NOx燃烧技术是分级燃烧技术，它包含了低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧等技术。
分级燃烧是把燃烧分阶段完成，通过调整燃烧工况来达到低NOx生成的一种炉内控制技术。形成缺氧富燃区并设法降低局部高温区的燃烧温度以抑制NOx的生成，使温度和氧浓度的高点值不同时存在；减少燃料周围的氧浓度，形成还原性气氛并加入还原剂，使已生成的NOx被还原。
3.1.1空气分级燃烧
煤在传统的燃烧器中要求燃料和所有空气快速混合，并在过量空气状态下进行充分燃烧。从NOX 形成机理中可以知道，反应区内的空燃比极大地影响着NOX 的生成，反应区的空气过剩越多，NOX的排放量越大。
3.1.1燃料分级燃烧
燃料分级燃烧，也称为再燃烧，是把燃料分成两股或多股燃料流，这些燃料流经过三个燃烧区发生燃烧反应。第一燃烧区为富氧燃烧区，第二燃烧区通常称为在燃烧区，该区空气过剩系数小于1，为缺氧燃烧区。在此燃烧区，第一燃烧区产生的NOX 将被还原。还原作用受过剩空气系数、还原区温度以及停留时间的影响。第三燃烧区为燃尽区，其空气过剩系数大于1。
3.2.选择性非催化还原（SNCR）技术
3.2.1 SNCR技术概述
SNCR技术是使用还原剂在870～1,200℃温度区域与氮氧化物发生还原反应生成氮气和水。
NH3 或尿素还原NOx 的主要反应为：
NH3 为还原剂：
4NH3 + 4NO + O2 →4N2 + 6H2O
尿素为还原剂:
2NO + CO(NH2)2 + 1/2O2 → 2N2 + CO2 + 2H2O
SNCR脱硝效率一般为30%～60%，SNCR 系统主要由以下部分组成：
a.还原剂储存；
b.还原剂的稀释计量；
c.温度窗的选择；
(2) 停留时间
任何反应都需要时间，所以还原剂必须和NOx 在合适的温度区域内有足够的停留时间，这样才能保证烟气中的NOx 还原率。
(3) 适当的NH3／NOx 摩尔比
NH3/NOx 摩尔比对NOx 脱除率的影响很大。根据化学反应方程，NH3/NOx 摩尔比应该为1，但实际上都要比1 大才能达到较理想的NOx 还原率，已有的运行经验显示，NH3/NOx 摩尔比一般控制在2.0左右，最大不要超过2.5。
3.3选择性催化还原（SCR）技术
3.3.1 SCR反应机理
SCR具有较高的效率，目前工业脱硝应用大部分采用这一工艺。
其机理比较复杂，一般研究认为在290～400 ℃，催化剂作用下，有如下几种反应：
4NH3 + 4NO+O2→ 4N2 + 6H2O （主要的化学反应）
4NH3  + 6NO →5N2+6H2O
2NH3 + NO + NO2 →2N2 + 3H2O
8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O
3.3.2 布置方式
SCR 工艺的核心装置是脱氮反应器，反应器中的催化剂分上下多层(一般为3-4 层) 有序放置。一般布置在垂直烟道中，且气流方向是自上而下的，可以有效防止SCR脱硝装置的堵塞。
3.3.3 SCR催化剂
催化剂是SCR 技术的核心。在脱硝装置中催化剂采用多孔结构的钛系氧化物，使用TiO2 作为担体的V2O5/WO3 及MoO3 等金属氧化物。添加WO3增强催化剂的物理性能，并抑制SO2 向SO3 的转化，添加MoO3 可增强抗重金属中毒的能力。
SCR 系统的运行成本在很大程度上取决于催化剂的寿命，其使用寿命又取决于催化剂活性的衰减速度。催化剂的失活主要有化学失活和物理失活。典型的SCR 催化剂化学失活主要是由砷、碱金属、金属氧化物等引起的催化剂中毒。砷中毒是烟气中的气态三氧化二砷与催化剂结合引起的。碱金属吸附在催化剂的毛细孔表面，金属氧化物如MgO、CaO、Na2O、K2O 等使催化剂中毒，主要是中和催化剂表面吸附的SO2 生成硫化物而造成的。催化剂物理失活主要是指由于高温烧结、磨损和固化微粒沉积堵塞而引起催化剂活性损坏。煤的特性对催化剂的组成、毛细孔尺寸、孔隙和体积有很大影响，并影响到催化剂的寿命。目前，对于催化剂的失活问题，在国外已经有了较成熟的解决办法。
1 蜂窝催化剂规格
3.3.4 SCR 主要设计和运行影响因素
(1) NH3/NOx 的摩尔比
氨泄露到大气中又会对大气造成新的污染，故氨的逃逸量一般要求控制在5ppm以下。运行中，通常取NH3：NOx (摩尔比)为0.81～0.82， NOx 的去除率约为80％。
(2) 温度
烟气温度是影响NOx 脱除效率的重要因素。一方面，当烟气温度低时，催化剂的活性会降低，NOx 的脱除效率随之降低，但此时NH3 的逃逸率增大。SO2 很容易被催化氧化成SO3，从而与还原剂NH3 及烟气中的水反应生成(NH4)2SO4 和NH4HSO4。NH4HSO4 粘性较高，易在230～250 ℃之间的SCR反应中生成，它在180～240℃之间呈液态，当温度低于180℃呈固态，灰沉积于催化剂的表面，堵塞其微孔。同时(NH4)2SO4 具有腐蚀性和粘性，可导致尾部烟道和设备损坏。
3-3 NOX 脱除率和温度的关系
(3) 飞灰
水泥生产中，烟气灰尘浓度较高，往往采用加强吹灰手段来消除其影响。结合国外相关项目经验，在反应器上装设两种吹灰装置：
压缩空气脉冲喷吹（严格控制压缩空气品质及喷吹频率）
声波吹灰（常态吹扫以防止出现灰尘的沉降）
(4) 场地要求
按照国务院文件334 号《危险化学品安全管理条例》及GBJ16-87《建筑设计防火规范》（2001 修订版）的要求，纯氨储存与蒸发区周围需有15~20m 的安全距离。
4. SNCR与SCR 技术、经济对比
根据目前对氮氧化物排放浓度的要求来说，在选择低氮燃烧技术的基础上还需增加烟气脱硝装置，在SNCR与SCR两者之间如何选择，首先需要考量当地的环保要求。
两种工艺的投资费用，以一条5000t/d一条生产线为例：
SNCR 总概算表(金额单位：人民币万元)
SNCR 总概算表(金额单位：人民币万元)
SNCR运行费用主要包含还原剂费用、电费、水费等
SCR运行费用主要包含还原剂费用、催化剂费用、电费（含系统阻力增加引起的风机电耗）、水费等。
以5000t/d一条生产线为例,经测算：
SNCR 脱硝成本为～3元/kgNOX(50%脱硝效率，2.0氨氮摩尔比）
SCR 脱硝成本为～1.7元/kgNOX（85%脱硝效率）