水泥窯煙氣SNCR脫硝技術(shù)噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵問題研究

張飛虎

(山西亞美建筑工程材料有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

引 言

近年來，霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)引起了人們對大氣環(huán)境問題的高度關(guān)注。研究表明，NOx是各類大氣污染物中危害極高的一類污染物，其不僅會引起霧霾、光化學(xué)煙霧、酸雨等環(huán)境問題，還會對人體和動(dòng)物健康產(chǎn)生較大的影響。水泥作為基礎(chǔ)的建筑材料，其生產(chǎn)過程具有高消耗、高污染的特點(diǎn)，尤其是水泥行業(yè)的NOx排放隨著水泥需求量的增大而不斷增加，已成為火力發(fā)電和汽車尾氣之后的第三大排放源。現(xiàn)階段，SNCR(選擇性非催化還原)脫硝技術(shù)由于建設(shè)周期短，基建投資少，無需催化劑、成本控制低，消除了無水氨的貯藏、不需要很大的場地等特點(diǎn)，已成為已投入運(yùn)行的比較成熟的煙氣脫硝技術(shù)[1]。本文以此為基礎(chǔ)，探討水泥窯煙氣SNCR脫硝技術(shù)噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，以促進(jìn)水泥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 選擇性非催化還原(SNCR)脫硝法

1.1 SNCR降低NOx原理

1.2 SNCR工藝流程

在水泥工業(yè)生產(chǎn)中，SNCR技術(shù)將加入的還原劑通過噴射的方式噴入爐膛，迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和水。儲存罐的氨水或尿素經(jīng)過過濾器后，通過添加泵進(jìn)入流量調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，經(jīng)計(jì)量后再進(jìn)入噴嘴，霧化后噴入分解爐內(nèi)。噴嘴位置在分解爐中部，其結(jié)構(gòu)、位置和質(zhì)量是氨水尿素添加設(shè)備的技術(shù)關(guān)鍵，因此需重點(diǎn)考慮[3]。

2 噴氨位置問題

選擇四個(gè)位置為代表，自上至下分別為上部柱體頂部、底部及中部柱體頂部、中部，同時(shí)選取分解爐X軸截面、Y軸截面及出口截面為代表截面，研究噴氨位置對分解爐內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布及去除率的影響。氨水進(jìn)口管為四個(gè)，均勻?qū)ΨQ分布在分解爐上，還原劑為20%的氨水，用量為0.017 kg/s，垂直進(jìn)入爐膛。

2.1 不同噴氨位置分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度

為了方便研究噴氨位置對分解爐內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布的影響，以最終為噴氨位置提供參考與借鑒。現(xiàn)在分解爐Z軸方向每隔0.5 m選取一個(gè)斷面，并以分解爐高度為橫坐標(biāo)，各斷面的NO平均質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，繪制位置1、位置2、位置3和位置4四個(gè)位置分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度曲線圖，如第178頁圖1所示。位置1、2、3、4分別為上部柱體頂部、底部及中部柱體頂部、中部。

由圖1可知，隨分解爐高度的增加，不同氨水進(jìn)口位置(位置1、位置2、位置3、位置4)的爐內(nèi)NO平均質(zhì)量濃度整體皆呈現(xiàn)“先迅速降低，后迅速上升，

再持平，最后快速下降”的趨勢。其中，第一次降低是由于三次風(fēng)加入的稀釋作用和焦炭的還原作用；迅速上升是由于煤粉燃燒產(chǎn)生燃料型NO；第二次降低是由于氨水進(jìn)入分解爐，NO被還原。

2.2 不同噴氨位置分解爐出口NO質(zhì)量濃度

為了進(jìn)一步研究噴氨位置對分解爐內(nèi)NO去除率的影響，以未噴氨(未進(jìn)行SNCR脫硝)分解爐出口NO質(zhì)量濃度作參照，計(jì)算不同氨水進(jìn)口位置(位置1、位置2、位置3、位置4)的分解爐出口NO質(zhì)量濃度。同時(shí)，計(jì)算不同氨水進(jìn)口位置NO的去除率，如表1所示。由表1研究表明，噴氨位置在位置2時(shí)，NO去除率最高。因此，在進(jìn)行水泥窯煙氣SNCR脫硝時(shí)，噴氨位置選定在上部柱體底部。

表1 不同噴氨位置分解爐出口NO質(zhì)量濃度及去除率

3 噴氨角度問題

通過文獻(xiàn)研究及自身工作經(jīng)驗(yàn)，選擇六個(gè)噴氨角度為代表，分別為Z軸夾角15°、30°、45°、60°、75°、90°，同時(shí)選取分解爐X軸、Y軸截面及出口截面為代表截面，研究噴氨角度對分解爐內(nèi)NO分布去除率的影響。氨水進(jìn)口管為四個(gè)，均勻?qū)ΨQ分布在分解爐上部柱體底部，還原劑為20%的氨水，用量為0.017 kg/s。

3.1 不同噴氨角度分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度

為了方便研究噴氨角度對分解爐內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布的影響，以最終為噴氨角度提供參考與借鑒。在分解爐Z軸方向每隔0.5 m選取一個(gè)斷面，并以分解爐高度為橫坐標(biāo)，各斷面NO平均質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，繪制與Z軸夾角15°、30°、45°、60°、75°、90° 6個(gè)噴氨角度NO平均質(zhì)量濃度變化曲線。通過對大量研究文獻(xiàn)的查閱，在此試驗(yàn)中，以夾角變化最大的15°和90°為代表給出爐內(nèi)的NO質(zhì)量濃度變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同噴氨角度分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度

由圖2可知，隨分解爐高度的增加，噴氨角度與Z軸夾角分別為15°和90°時(shí)，爐內(nèi)NO平均質(zhì)量濃度的整體變化趨勢及具體含量值基本趨于吻合一致，變化皆呈現(xiàn)歷“慢下降、快下降、快上升、基本不變、快下降、慢下降”的趨勢。與不同噴氨位置對分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度的影響類似，其中，最初的“慢下降、快下降”是由于三次風(fēng)加入的稀釋作用和焦炭的還原作用；“快上升”是由于煤粉燃燒產(chǎn)生燃料型NO；之后的“快下降、慢下降”是由于氨水進(jìn)入分解爐，NO被還原。

3.2 不同噴氨分解爐出口NO質(zhì)量濃度

為了進(jìn)一步研究噴氨角度對分解爐內(nèi)NO去除率的影響，以未噴氨(未進(jìn)行SNCR脫硝)分解爐出口NO質(zhì)量濃度作參照，計(jì)算不同噴氨角度(與Z軸夾角15°、30°、45°、60°、75°、90°)的分解爐出口NO質(zhì)量濃度。同時(shí)，計(jì)算不同噴氨角度NO的去除率，如表2所示。由表2研究表明，噴氨角度對NO去除率影響甚小。

表2 不同噴氨角度分解爐出口NO質(zhì)量濃度及去除率

4 氨水用量問題

上述討論了噴氨位置及噴氨角度對分解爐內(nèi)NO的去除率產(chǎn)生影響，現(xiàn)選擇6個(gè)氨水用量為代表，氨水用量分別為0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s，同時(shí)選取分解爐X軸截面、Y軸截面及出口截面為代表截面，研究氨水用量對分解爐內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布及去除率的影響。氨水進(jìn)口管為四個(gè)，均勻?qū)ΨQ分布在分解爐上部柱體底部，還原劑為20%的氨水，垂直進(jìn)入爐膛。

4.1 不同氨水用量分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度

為了方便研究氨水用量對分解爐內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布的影響，以最終為噴氨量提供參考與借鑒。現(xiàn)在分解爐Z軸方向每隔0.5 m選取一個(gè)斷面，并以分解爐高度為橫坐標(biāo)，各斷面的NO平均質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，繪制氨水用量分別為0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s 5個(gè)不同用量分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度曲線。通過對大量研究文獻(xiàn)的查閱，在此試驗(yàn)中，以用量0.015、0.018和0.020 kg/s為代表給出爐內(nèi)的NO質(zhì)量濃度變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同氨水用量分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度

由圖3可知，隨分解爐高度的增加，0.015、0.018和0.020 kg/s三種氨水用量分解爐內(nèi)NO質(zhì)量濃度變化規(guī)律相似，變化皆呈現(xiàn)歷“慢下降、快下降、快上升、基本不變、快下降、慢下降”的趨勢。與不同噴氨位置、不同噴氨角度對分解爐內(nèi)不同高度NO平均質(zhì)量濃度的影響類似，其中，最初的“慢下降、快下降”是由于三次風(fēng)加入的稀釋作用和焦炭的還原作用；“快上升”是由于煤粉燃燒產(chǎn)生燃料型NO；之后的“快下降、慢下降”是由于氨水進(jìn)入分解爐，NO被還原，以及氨水經(jīng)過一段時(shí)間后反應(yīng)速率下降導(dǎo)致。

4.2 不同氨水用量分解爐出口NO質(zhì)量濃度

為了進(jìn)一步研究噴氨量對分解爐內(nèi)NO去除率的影響，以未噴氨(未進(jìn)行SNCR脫硝)分解爐出口NO質(zhì)量濃度作參照，計(jì)算不同噴氨量(0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s)的分解爐出口NO質(zhì)量濃度。同時(shí)，計(jì)算不同噴氨量NO的去除率，如表3所示。由表3研究表明，NO去除率隨著噴氨量的增加而變大。

表3 不同噴氨量分解爐出口NO質(zhì)量濃度及去除率

5 結(jié)論

通過模擬試驗(yàn)，研究了噴氨位置、噴氨角度及氨水用量對NO去除率的影響，結(jié)果顯示，除噴氨角度外，噴氨位置及氨水用量對分解爐出口截面NO質(zhì)量濃度及脫硝效率影響較大，在進(jìn)行水泥窯煙氣SNCR脫硝時(shí)，噴氨位置選定在上部柱體底部，且需噴射較為多量的氨水。