巴太斌:水泥行业深度脱硝技术探讨

2023-09-20 15:08:12

“双碳”目标不仅解决生态环保问题,还将引发一场广泛而深刻的经济社会变革。对广大工业企业而言,碳减排不作为,将会面临生存与发展的问题。

一、背景

2020年9月,国家主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣示,中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。上述碳达峰与碳中和的时间表,也被称为“双碳”目标。

“双碳”目标不仅解决生态环保问题,还将引发一场广泛而深刻的经济社会变革。对广大工业企业而言,碳减排不作为,将会面临生存与发展的问题。

今年上半年经济复苏不如预期,表现在消费和投资信心不足,水泥行业的表现也不乐观,上半年水泥量价齐跌,河南水泥每吨售价降到了200多元,顾不住成本,被迫停产,这种严峻局面可能还会持续一段时间。最近国家出台了一些刺激政策,水泥行情也出现了一些积极变化。

专家分析,中国经济增长模式,正在从“资本”驱动,切换成“运营”驱动。水泥企业正在从粗放型向精细化转型。

经济学家把中国经济发展的过去分为上半场,现在和未来分为下半场。

上半场是从1979—2019的这40年,解决的核心问题就是资本的原始积累,通过资本的累积完成了两大任务:一是用钢筋混泥土做好基建和房子,二是推出各种互联网平台提高社会运转效率。在这个过程中,水泥行业从技术落后到世界领先,从供不应求到产能过剩,经历了立窑、湿法窑、干法中空窑、预热器窑和窑外分解窑的发展历程,这40年,水泥技术迅速发展,水泥行业受益匪浅。

下半场是在运营的推动下,要再通过“产品+内容”的填充,让社会有血有肉,只有运营好产品和内容才有出路!运营就是靠管理,使资源发挥出更大的社会价值。在中国经济转型的过程中,我们水泥企业要转变理念,跟上变化,适应新的发展需要,做好运营才有出路。

二、水泥企业环保现状

水泥厂的污染治理分析:水泥厂的主要污染源有粉尘、烟气、噪声、废水,经过环保治理,都能做到达标排放,因为不达标排放就被停产,还要被罚款,有强制性。水泥行业面临的主要问题是如何制定污染物排放指标,如何选择性价比高、成本低的污染治理技术。欧洲烟尘控制是差异化的,敏感地区要求严,不敏感地区要求松。

我们水泥人通过不懈的努力,在水泥厂烟尘治理方面已经走在世界前列,为了进一步提高环保治理水平,投入也越来越大,超低排放,给企业带来了很大的压力。

排放指标是不是越低越好?要从两方面考虑:一是从环保角度考虑,要根据环境容量的要求,不同地区环境容量要求不同,排放指标也应该是差异化的。二是从经济角度考虑,污染物排放量越低,资本投入就越大,增加企业负担和运行

成本,尤其是水泥市场不景气的情况下,企业压力会更大。

因此,从科学发展的角度来看,水泥厂烟尘排放量不一定是越低越好。

脱硝势在必行

按照每吨熟料NOx排放系数为1.5-1.8kg/t熟料计算,2020年我国水泥工业窑炉排放的NOx约为200万吨(水泥熟料按13亿吨计算),这两年因为熟料产量的下降,NOx排放量也在下降,由于水泥行业排放总量占全国NOx总排放量的10%左右,是继火电发电厂和机动车之后的第三大排放源,因此,国家环保部门对水泥企业特别关注。政府出台了相关政策和标准,明确要求NOx排放不达标不得生产。

水泥企业在氮氧化物减排方面急需寻找最佳出路。

三、脱硝技术

目前,国内水泥工业执行的排放标准为《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)。一些地方还出台了更为严格的排放标准,例如,浙江省出台的地方标准要求到2025年水泥窑炉烟气NOx排放浓度小于50mg/Nm3,西南四省今年也出台了相关政策。此外,环保部颁发的《重污染天气重点行业应急减排技术指南》要求,水泥生产采用SNCR、SCR等技术达到超低排放,并且吨水泥熟料氨水消耗量小于4kg,才能认定为A级企业,享受相应的政策支持,补贴50%,奖励运行。

我国水泥工业从2007年开始全面推广非催化还原技术(SNCR)。SNCR技术的脱硝效率可高达60%(目前有新的突破)。这期间还有研究采用分级燃烧技术,即通过控制分解炉及管道中的燃烧工况,用不完全燃烧产生的CO来还原NOx,分级燃烧技术的脱硝效率约为30%(目前有新的突破,可实现超低排放)。在煤电行业通过应用催化还原技术(SCR)实现超低排放之后,该技术(SCR)引入水泥行业经过适应期逐步成熟,但是,成本的增加、危废的产生仍是企业需要考虑的问题。

近几年,在分级燃烧技术的基础上,通过研究分解炉及管道中的燃烧工况,考虑尽量减少还原剂的使用和危废的产生,推出了管道还原法深度脱硝技术,经过南方水泥等多家水泥企业应用,取得了良好效果,达到超低排放指标。

管道还原法脱硝原理

窑内产生的NOx还原方式:将分解炉的用煤分出一部分,喷入管道炉预热区,使其在管道炉缺氧的工况下形成“厌氧燃烧”,产生的CO与窑尾烟气中的NOx发生反应,将窑内产生的NOx还原成对环境无害的N2气体。

管道脱硝技术是在脱硝炉内制造CO,调整脱硝炉喂料量,平衡还原区温度,充分还原来自于窑内的NOx,实现NOx的超低排放。

主要化学反应如下:

CO2+C→2CO

2CO+2NO→N2+2CO2

4CO+2NO2→N2+4CO2

管道脱硝工艺流程示意图

管道脱硝工艺

管道脱硝炉是一个单独的在线炉体,炉内产生的CO与窑内的NOx在脱硝炉内充分反应还原后,再进入分解炉,即CO和NOx完全在管道脱硝炉里反应还原。进入脱硝炉的物料,在平衡温度的同时,提前进行分解,对提高分解率和系统能力有一定帮助。

还原窑内产生的NOx是在管道脱硝炉内完成,管道脱硝炉布置在窑尾烟室与分解炉之间,脱硝炉的进气口与窑尾烟室顶部缩口连接,脱硝炉的排气口与分解炉底部连接。脱硝炉的进气端开设煤粉入口和物料入口,脱硝炉内喂煤是为了产生CO,脱硝炉内喂料是为了平衡炉内温度。

应用管道脱硝技术的效益:

1.管道脱硝技术符合国家相关政策,实现NOx排放浓度<50mg/Nm3(10%O2)的先进指标,运行中没有危废的产生,能有效改善当地环境质量,使水泥生产企业能够成为环境友好型企业,环保效益十分明显。

2.管道脱硝是利用工艺技术解决生产中产生NOx的问题,实现NOx超低排放,是一种新的技术突破,为水泥企业实现超低排放提供了新的技术途径,具有良好的社会效益。

3.应用管道脱硝技术,熟料产量有所提高,煤耗、电耗有所降低,无新增运行成本,经济效益显著。

管道脱硝应用案例:

南方水泥与郑州奥通合作,在南方水泥的江山、山亚、三明及常德等四家公司进行了管道脱硝技术改造,均取得了较好的效果。

国检集团技术调研小组于2023年5月对江山、山亚、三明三家公司技改情况进行调研,结论是管道脱硝技术运行稳定,操作简易,达到了超低排放指标,与同类技术对比,投资合理,运行成本较低,无催化剂消耗。

四、总结

国内外水泥届的科研工作者和企业家们,近几年投入很多精力和财力,研发了SNCR、SCR、LCR、分级燃烧、管道还原炉等多种脱硝手段,从改变运行条件到改进燃烧方法,形成多项专利成果,为环保事业做出了很大贡献。

在水泥生产过程中寻找脱硝办法,不用外来的催化剂、还原剂,也就是说在工艺过程中脱硝,实现超低排放,这是水泥人一直探讨的问题。据了解国内有一些公司在这方面的研究成果已经在多家水泥厂应用,实测数据表明,脱硝炉出口氮氧化物浓度可以达到零!实现深度脱硝之目的,运行成本低,没有二次污染,可高比例使用替代燃料。目前,由于漏风问题,有一小部分含有NOx的气体没有进入还原炉,而进入了分解炉、C5,还有分解炉内燃烧产生的NO,结合现有的SNCR系统,可实现NOx <50 mg/Nm³超低排放。

管道脱硝炉具有运行成本低、无二次污染、可超低排放、节能降碳等优点,是一个发展方向,为了实现无氨脱硝,还需要进一步研究:

1.研究如何减少锁风阀的漏风,使出烟室含NOx气体不进入或少进入分解炉、C5,尽量全部经过管道炉脱硝;

2.加强分解炉CO燃烧机理研究,避免在分解炉中产生热力型氮氧化物;

3.加强燃料型氮氧化物产生机理研究,优化操作,探讨将尾煤全部喂入脱氮炉,避免或减少分解炉燃料型氮氧化物产生。

五、目标

加强科研投入,攻克技术难题,不断完善脱硝方法,最终实现无氨脱硝、超低排放!

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“双碳”目标不仅解决生态环保问题,还将引发一场广泛而深刻的经济社会变革。对广大工业企业而言,碳减排不作为,将会面临生存与发展的问题。

2023-09-20 15:08:12

Recently, due to the persistent cost pressure in the south, the price of concrete has risen slightly with the raw materials, but the growth of market demand is limited, and the overall quotation is still stable. From October 31 to November 6, the national concrete price index closed at 112.47 points, up 0.31% annually and down 10.11% year-on-year.