水泥爐窯SNCR脫硝工藝技術(shù)探討和應(yīng)用

鄭裕忠，鄭東山，邱江波

1 水泥爐窯脫硝項(xiàng)目實(shí)施背景

目前，水泥行業(yè)執(zhí)行的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求NOx排放限值為800mg/m3（標(biāo)）；2012年11月6日，國(guó)家環(huán)保部關(guān)于征求意見(jiàn)函《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（環(huán)辦函[2012]1270號(hào)）要求現(xiàn)有水泥企業(yè)自2015年1月1日起，NOx排放限值為450mg/（標(biāo)）m3；《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃的通知》（國(guó)發(fā)（2012）40號(hào)）要求2015年水泥行業(yè)NOX排放量控制在150萬(wàn)噸，淘汰水泥落后產(chǎn)能3.7億噸，推廣新型干法水泥生產(chǎn)線，普及純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，水泥行業(yè)實(shí)施新型干法窯降氮脫硝，新建、改擴(kuò)建水泥生產(chǎn)線綜合脫硝效率不低于60%。我公司2500t/d熟料生產(chǎn)線于2003年7月建成投運(yùn)，當(dāng)時(shí)工藝設(shè)計(jì)未采用先進(jìn)的低氮燃燒技術(shù)，預(yù)熱器采用分級(jí)燃燒技術(shù)，窯尾NOx正常排放濃度在500～650mg/m3（標(biāo)）之間。為了達(dá)到即將出臺(tái)的新《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃目標(biāo)要求，我公司決定率先開(kāi)展水泥SNCR煙氣脫硝試點(diǎn)工作。

作為浙江省第一家水泥SNCR脫硝試點(diǎn)企業(yè)，我公司于2011年8月啟動(dòng)脫硝工程改造項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)充分的前期技術(shù)調(diào)研及論證，最終采用浙江省環(huán)境科學(xué)研究院SNCR脫硝工藝。該項(xiàng)目于2012年7月完成了2500t/d熟料生產(chǎn)線的脫硝項(xiàng)目建設(shè)，順利通過(guò)調(diào)試及168h試運(yùn)行階段，并通過(guò)了安全、環(huán)保“三同時(shí)”竣工驗(yàn)收。

2 水泥爐窯SNCR脫硝工藝簡(jiǎn)介

2.1 工藝流程

將濃度20%～25%的工業(yè)氨水和稀釋水混合，根據(jù)窯尾煙囪在線CEMS系統(tǒng)反饋的NOx濃度和氨逃逸濃度來(lái)調(diào)整氨水和稀釋水的比例，將混合后的氨水噴入分解窯與旋風(fēng)預(yù)熱器之間的U型煙道，實(shí)現(xiàn)脫硝反應(yīng)。

2.2 工藝原理

SNCR（選擇性非催化還原）技術(shù)是用氨水為還原劑噴入預(yù)熱器煙道內(nèi)與NOx進(jìn)行選擇性反應(yīng)。該反應(yīng)無(wú)需催化劑，因此必須在高溫區(qū)噴入氨水。氨水噴入溫度在850～950℃之間的煙道內(nèi)，還原劑中的NH3與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2。

SNCR反應(yīng)方程如下：

水泥爐窯尾煙氣中氮氧化物主要為NO占90%以上，NO與還原劑氨水以式（1）為主要反應(yīng)。

2.3 系統(tǒng)組成

SNCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)主要由氨水卸氨、儲(chǔ)存、輸送模塊、軟水儲(chǔ)存、輸送模塊、PU模塊、噴氨模塊、CEMS系統(tǒng)、電儀及DCS控制系統(tǒng)等組成，主要設(shè)備以進(jìn)口為主，進(jìn)口設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用440多萬(wàn)元。工藝流程見(jiàn)圖1。

（1）氨水卸氨、儲(chǔ)存、輸送模塊

通過(guò)氨水槽車(chē)將氨水由外界運(yùn)輸?shù)桨眳^(qū)，通過(guò)氨水卸氨模塊送入氨水儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐內(nèi)的氨水經(jīng)過(guò)氨水輸送模塊的氨水輸送離心泵送至高位平臺(tái)上的PU模塊。

該模塊的主要設(shè)備配置：

氨水儲(chǔ)罐1只，為非標(biāo)設(shè)計(jì)的不銹鋼儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)容積為40m3，配有呼吸閥和液位變送器、壓力變送器。

氨水輸送離心泵一臺(tái)，采用不銹鋼材料制造，將氨水輸送至PU模塊。

（2）軟水輸送模塊

軟水來(lái)自公司余熱鍋爐所用的去離子水或除鹽水，接入軟水水箱，再由軟水輸送模塊將軟水加壓輸送至PU模塊。

圖1 SNCR工藝流程圖

該模塊的主要設(shè)備配置：

軟水輸送泵1臺(tái)，采用不銹鋼多級(jí)離心泵，自帶水箱，成套配置有硬度檢測(cè)儀、液位連鎖保護(hù)等。電氣控制柜1只，采用不銹鋼支架支撐。

（3）PU模塊、噴氨模塊

PU模塊根據(jù)CEMS系統(tǒng)反饋的NOx濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)氨水供給量，過(guò)量的氨水和軟水回流至各自儲(chǔ)罐；PU模塊實(shí)現(xiàn)還原劑的計(jì)量分配功能，對(duì)應(yīng)噴氨模塊，噴氨模塊由6只噴射器組成，噴射器為雙流體噴槍，通過(guò)金屬軟管與氨水和壓縮空氣相連。

該模塊的主要設(shè)備配置：

（4）CEMS系統(tǒng)

NOx、氨逃逸監(jiān)測(cè)儀表布置在水泥爐窯尾煙囪平臺(tái)上，NOx監(jiān)測(cè)儀表采用西門(mén)子儀表，氨逃逸監(jiān)測(cè)儀表采用ABB儀表，同時(shí)，將監(jiān)測(cè)信號(hào)引入DCS，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

（5）電儀及控制系統(tǒng)

主要電氣設(shè)備均采用遠(yuǎn)程DCS控制、操作、調(diào)節(jié)，主要液位、壓力、流量、氨逃逸濃度、NOx濃度等數(shù)據(jù)均引入DCS。

本工程SNCR脫硝控制系統(tǒng)為全自動(dòng)控制、管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控所有工藝，布置在熟料中控室內(nèi)。DCS操作員可以與脫硝系統(tǒng)PLC站點(diǎn)進(jìn)行通信，接收來(lái)自PLC站的所有設(shè)備信號(hào)，并能精確計(jì)算還原劑注入量。正常運(yùn)行是通過(guò)集中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自控，在正常運(yùn)行模式下，該系統(tǒng)不需要人工控制。

3 SNCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況分析

3.1 系統(tǒng)連續(xù)投運(yùn)效果分析

為考察脫硝裝置可靠性、裝置對(duì)目標(biāo)NOx控制濃度的響應(yīng)值，公司決定連續(xù)投運(yùn)脫硝裝置，并考察增加氨水投加量后的脫硝效果和氨逃逸的影響，如圖2所示。

從圖2可以看到，水泥爐窯初始NOx濃度約為520mg/m3（標(biāo)），脫硝裝置投入運(yùn)行后，當(dāng)脫硝后NOx目標(biāo)值為不大于300mg/m3（標(biāo)）時(shí)，系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)氨水耗量約為350L/h，氨逃逸可以控制在1～2mg/m3（標(biāo)）；在第33h時(shí)，將脫硝后NOx目標(biāo)值調(diào)整為200mg/m3（標(biāo)），脫硝系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)氨水噴射量約為430L/h，氨逃逸有所上升，最大為4.02mg/m3（標(biāo)），根據(jù)工況略有波動(dòng)。

3.2 不同氨水噴入量條件下的NOx排放濃度和氨逃逸濃度

為考察還原劑耗量對(duì)脫硝效果（目標(biāo)NOx排放濃度）可達(dá)性和氨逃逸的影響，將系統(tǒng)調(diào)節(jié)至手動(dòng)模式，改變噴入氨水的耗量，不同氨水噴入量下NOx排放濃度和氨逃逸濃度見(jiàn)圖3。

基于圖像處理技術(shù)CTOD試驗(yàn)裝置的研制………………………………………………………王炳英，侯振波，徐圣朋（3.19）

圖2 SNCR運(yùn)行時(shí)氨水加入量和出口NOx值

圖3 不同氨水噴入量的NOx排放濃度和氨逃逸濃度關(guān)系

圖4 不同目標(biāo)NOx排放濃度對(duì)應(yīng)的氨氮摩爾比

圖5 噴氨試驗(yàn)時(shí)的分解爐溫度和熟料產(chǎn)量

從圖3可以看到，初始NOx約為550mg/m3（標(biāo)），隨著氨水噴入量的增加，出口NOx濃度線性下降，氨水噴入量約為320L/h時(shí)，脫硝后的NOx可以控制在300mg/m3（標(biāo)）以下，脫硝效率為45.5%，氨逃逸約1mg/m3（標(biāo)），說(shuō)明噴入的氨水都參與了反應(yīng)。調(diào)整氨水噴射量至480L/h時(shí)，脫硝后的NOx可以控制在200mg/m3（標(biāo)）以下，脫硝效率為63.6%，氨逃逸可控制在2mg/m3（標(biāo)）以下。若繼續(xù)增加氨水噴入量，出口NOx濃度可以進(jìn)一步降低，但是NH3逃逸濃度呈指數(shù)增加，說(shuō)明進(jìn)一步增加氨水噴入量，氨水利用率會(huì)降低，部分未參與反應(yīng)的NH3隨煙氣直接排出。

3.3 不同目標(biāo)NOx排放濃度對(duì)應(yīng)的NSR

上述運(yùn)行工況由于噴入氨水量不同，煙氣成分相對(duì)穩(wěn)定，初始煙氣量 256000m3（標(biāo)）/h，初始 NOx濃度550mg/m3（標(biāo)），NSR不同時(shí)對(duì)應(yīng)的NOx排放濃度變化情況見(jiàn)圖4。

從圖4中可以看到，隨著NSR的增加，出口NOx濃度起初呈下降趨勢(shì)，曲線斜率呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明若要將出口NOx濃度控制在較低的水平，氨水投加量比目標(biāo)控制值時(shí)的投加量要增加許多，而不是單純的線性關(guān)系，即不同的目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的NSR不同。要保證脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度不超過(guò)300mg/m3（標(biāo)），需保證系統(tǒng)NSR≥1.0；若要將目標(biāo) NOx控制在200mg/m3（標(biāo)）時(shí)，需保證系統(tǒng)NSR≥1.8。

另外，從圖4中還可以看到，若要將NOx排放濃度目標(biāo)控制在300mg/m3（標(biāo)），氨水投加量約為300L/h，若要將NOx排放濃度目標(biāo)控制在200mg/m3（標(biāo)），氨水投加量約為480L/h。

3.4 脫硝裝置的投運(yùn)對(duì)水泥生產(chǎn)工藝及二氧化硫排放的影響

為考察SNCR系統(tǒng)投運(yùn)后對(duì)水泥熟料產(chǎn)量的影響，我公司收集了脫硝裝置投運(yùn)前后分解窯溫度、水泥爐窯熟料產(chǎn)量的運(yùn)行參數(shù)，見(jiàn)圖5。

從圖5中可以看到，脫硝系統(tǒng)投運(yùn)前后，水泥爐窯熟料的產(chǎn)量基本維持在2860t/d。脫硝系統(tǒng)投運(yùn)前，分解窯的溫度為860℃，投運(yùn)后由于脫硝反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度略有上升，在870℃左右波動(dòng)，停止噴氨后又維持在860℃左右。

表1 噴氨試驗(yàn)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

圖6 SNCR脫硝氨區(qū)

目前，我公司所使用的煤是由南方水泥浙江大區(qū)統(tǒng)一采購(gòu)的直供煤，平均含硫量在0.78%左右。根據(jù)在線監(jiān)控系統(tǒng)CEMS系統(tǒng)反饋的SO2排放濃度看，脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后，SO2排放濃度比較穩(wěn)定，一般在20mg/m3左右。

SNCR脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)對(duì)窯工藝系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量、其他污染物排放的影響可以忽略不計(jì)。

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行的主要參數(shù)

在正常工況下，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)主要參數(shù)平均值見(jiàn)表1。

從表1中可以看到，氮氧化物初始濃度在550mg/m3左右，經(jīng)脫硝系統(tǒng)處理后，氮氧化物排放濃度在200 mg/m3左右時(shí)，此時(shí)脫硝效率＞60%，氨逃逸＜2mg/m3（標(biāo)）。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我公司2500t/d水泥爐窯SNCR脫硝系統(tǒng)，可以根據(jù)NOx排放初始濃度的大小，通過(guò)調(diào)節(jié)氨水的噴入量，將NOx排放濃度控制在250～300mg/m3之間。在此工況下，可獲得較低的氨逃逸率，氨水利用率相對(duì)較高，總體運(yùn)行成本最經(jīng)濟(jì)。據(jù)初步計(jì)算，經(jīng)該系統(tǒng)處理后，年NOx排放量可減少約1080t，具有良好的社會(huì)效益。

實(shí)踐證明，SNCR煙氣脫硝技術(shù)工藝適用于我國(guó)水泥窯爐煙氣特征的脫硝爐處理，為同類型的水泥爐窯實(shí)施脫硝改造積累了經(jīng)驗(yàn)，值得國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)參考。通過(guò)整套系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合水泥行業(yè)的現(xiàn)狀，提出以下兩點(diǎn)建議：

（1）目前SNCR脫硝系統(tǒng)的主要設(shè)備以進(jìn)口為主，費(fèi)用較高，建議該系統(tǒng)的主要設(shè)備盡可能?chē)?guó)產(chǎn)化，以降低系統(tǒng)建設(shè)的投資費(fèi)用。

（2）建議國(guó)家或相關(guān)機(jī)構(gòu)盡快出臺(tái)相關(guān)扶持政策或NOx排放濃度新標(biāo)準(zhǔn)，以確保市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的公平性。