水泥窯SNCR工藝分析

曾昌伍

（合肥水泥研究設計院，合肥 230051）

隨著國家對環保要求的提高，新的《水泥工業大氣污染物排放標準》即將實施，該標準對水泥企業水泥窯及窯磨一體機排放的氮氧化物（以NO2計）進行了新的規定。

自2013年1月1日起至2014年12月31日止，現有企業執行的大氣污染物排放限值見表1；自2015年1月1日起，現有企業執行的大氣污染物排放限值見表2；自2013 年7月1日起，新建企業執行的大氣污染物排放限值見表3；重點地區企業執行的大氣污染物特別排放限值見表4。執行特別排放限值的時間和地域范圍由國務院環境保護行政主管部門或省級人民政府規定。

表1 現有企業目前大氣污染物排放限值

表2 自2015年1月1日起現有企業大氣污染物排放限值

表3 自2013年7月1日起新建企業大氣污染物排放限值

表4 自2013年7月1日起重點地區企業大氣污染物特別排放限值

目前國內有數千條水泥熟料生產線，在新標準的規定下，絕大多數需要增加或改造脫硝系統。針對現有的實際情況，使用選擇性非催化還原脫硝技術（SNCR）工藝比較經濟合理。該工藝是把含有NH3的還原劑（如氨、尿素）噴入爐膛溫度為800℃～1100℃的區域，還原劑迅速熱分解成NH3并與煙氣中的NOx進行SNCR反應生成N2。該反應以爐膛為反應器，可以通過對分解爐進行改造或合理選擇噴入口得以實現。

SNCR工藝脫硝效率主要取決于反應溫度、NH3與NOx的化學計量比、混合程度、反應時間等，其中溫度控制最為重要。溫度過高，NH3容易被氧化成NO，抵消NH3的脫硝效果；溫度過低，NH3反應不完全，存在NH3泄漏問題。實驗表明在900℃～1100℃這個溫度范圍內，氨、尿素等氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx，基本不與煙氣中的O2作用。

SNCR工藝不需要催化劑，工藝流程簡單，在火電廠脫硫效率一般為30%～50%，對于水泥旋窯，由于有多級預熱器，效率會高一些，一般在60%左右。

不同的工藝流程和不同的控制模式對SNCR的分塊也不一樣。一般來說，使用氨水作為還原劑的工藝大致可以分為以下8個部分：軟水供應系統P1、還原劑卸料系統P2、還原劑儲存系統P3、還原劑供給系統P4、還原劑控制系統P5、噴射系統P6、壓縮空氣系統P7、電氣及自動控制系統P8。

（1）軟水供應系統P1

稀釋水、沖洗水、冷卻水（如有）采用常溫軟化水，通過加注泵加入軟水箱，軟化水參數要求見表5。

表5 軟化水參數

軟水通過管道進入水箱，水箱中的軟水通過提升裝置（設置1臺立式多級離心泵）進入氨水高位儲罐或噴射系統。

（2）還原劑卸料系統P2

一般采用20%～25%濃度的氨水為脫硝還原劑，還原劑卸料系統采用泵模塊加注。氨水卸料泵為自吸式標準加注泵，設置2臺（1運1備），并列布置。

（3）還原劑儲存系統P3

設置1臺或2臺滿足6天脫硝系統用量要求的氨水儲罐，氨水儲罐采用304不銹鋼制造。

儲罐及泵站模塊應安裝于混凝土圍堰內。為避免罐內過壓或真空，罐頂安裝呼吸閥。儲罐設液位、氨水濃度儀、溫度、壓力監測，通過液位變送器實現就地及遠程連續監測。

儲罐設計應考慮足夠的安全性，所配儀器儀表均為防爆儀表。

為避免卸氨時氨氣直接排放到大氣中，需將廢氣引致水箱進行吸收氨氣，水箱采用PE材質，容積為2m3。

（4）還原劑供給系統P4

氨水提升裝置用于將氨罐內的氨水輸送到高位氨水罐內，提升裝置設置2臺立式多級離心泵（1運1備），氨水高位儲罐安裝液位計與氨水提升泵進行連鎖控制。

稀釋水輸送供應裝置的設置充分滿足窯爐運行狀況以及氨水濃度變化，并考慮100%的備用余量。包含不銹鋼計量泵、過濾器、變頻器及用于遠程監測和控制輸送系統壓力、流量儀表等設備。

（5）還原劑控制系統P5

用于計量和混合的儀器儀表整合在一個鋼柜內。NOx控制儀所要求的必須數量的氨水溶液由氨水管線供應。所需氨水數量由流量計控制、調節閥調節。所需數量稀釋水在與氨水溶液混合前由流量計控制、調節閥調節。每個噴射點均由流量計控制，確保分配適當。還原劑混合液的壓力由安裝的壓力計控制。

分配裝置采用環型管作為分配主管，用于精確分配到每支噴射器的還原劑和壓縮空氣的壓力及流量，包括電磁閥、調節閥、壓力、流量儀表等設備。

每層噴霧層配氨水和壓縮空氣分配裝置各一套。

（6）壓縮空氣系統P6

采用水泥廠自有壓縮空氣氣源作為還原劑噴射系統和儀用壓縮空氣氣源，通過壓力調節和流量控制模塊控制空氣壓力和流量，滿足還原劑噴射系統和氣動設備需要。

（7）噴射系統P6

還原劑噴射系統采用壓縮空氣將還原劑霧化噴入高溫煙氣中。噴槍材質應滿足運行工況的要求：噴槍安裝在分解爐第二和第三層側壁上，粉塵濃度高，煙氣流速大，煙氣溫度高，噴嘴宜選用耐高溫（1100℃以上）、耐腐蝕、耐磨損的合金產品；噴槍外護套管因與煙氣接觸，應選用耐磨、耐高溫1100℃以上的合金鋼材質。噴槍外設風冷套管，采用一次風、二次風（或壓縮空氣）作為冷卻風，確保噴槍在高溫環境下正常使用，在高濃度粉塵環境下不堵塞并耐磨損。

安裝布置1～2層噴霧層，每層布置3～6根氨水噴槍。

（8）電氣及自動控制系統P8

根據脫硝裝置運行監控要求，配置完整的儀表和控制系統。

一些SNCR工藝沒有設計好，當裝置停止使用時，氨水管道就得不到清洗。也有一些廠家由于條件限制和出于對運行成本的考慮，使用自來水代替了軟水，這些都會影響到管道的清潔和噴嘴的堵塞程度，進而影響噴射效果。

目前提供SNCR工藝的廠家很多，在工藝上有很多需要相互學習、不斷改進的地方。細節決定好壞，也許設計的流程科學，但由于噴嘴安裝的位置不一樣，脫硝的結果就大相徑庭。就即將實施的新標準和目前的脫硝實際情況來看，需要提供SNCR工藝的廠家和水泥企業都重視起來，只有這樣，我國的水泥窯SNCR技術才能做到真正意義上的世界技術，水泥窯氮氧化物達標排放才能落到實處