基于雙變量相關性分析的SNCR工藝氮氧化物排放濃度影響因子的研究
——以石林某水泥廠為例

李艷芳,江映翔，王 棟，胡建富

(1.石林彝族自治縣節能監察大隊，云南 石林 655220；2.昆明理工大學，云南 昆明 650000； 3.昆明海螺水泥有限公司，云南 石林 655220)

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)脫硝技術于20世紀70年代起源于日本，80年代末在歐盟國家開始工業應用，90年代初進入美國。目前，該技術已經在我國工業中廣泛應用和發展。SNCR技術的在線監測技術(CEMS)也是脫硝技術的重要組成部分，它可以直觀、客觀、低成本地將各項指標呈現出來。

氮氧化物排放濃度的影響因子包括：反應溫度、氨氮摩爾比、氧氣含量、循環灰、反應停留時間、CO濃度、NO濃度、水蒸汽濃度和反應壓強等。針對各影響因素，已有大量實驗研究文獻。然而，諸多文獻的實驗環境和條件各不相同，所取得的實驗數據以及最終的實驗結論也有不同程度的差別。本文中SNCR所處的地理位置及高程決定了尾氣出口的氣壓、氣溫也是影響因素之一，因此，對各影響因子的雙變量相關性分析就存在一定的必要性。

經相關文獻論證，溫度和含氧量是影響高溫噴氨脫硝效率的主要因素，氨水噴射量是水泥廠調節脫氨效率的常用方法，因此本文針對溫度、含氧量和氨水噴射量進行相關性分析。高溫噴氨脫硝反應存在相應的窗口溫度：850～1300℃。對于氧氣含量，無氧條件下，OH活性基團很少，高溫噴氨脫硝反應進行緩慢，當氧含量<2%時，鏈式反應生成活性基團H 和OH，促進了NH3與NO的反應，理論脫硝效率可達到較高水平。

本文數據來源于石林某水泥廠，該水泥廠地基高程為1879～1885m。針對2016、2017、2018三年的每小時數據，對反應溫度和氧氣含量進行相關性分析。

1 數據與方法

1.1 數據采集

對水泥廠窯后氣體排放進行在線監測，提取2016、2017、2018三年每小時檢測數據。

1.2 數據處理

由于任何工藝參數的探頭、煙氣在線監測設備都有校準、校零、維護保養的必要，這些時段的無效數據仍然被探測和采集，因此，首先應對數據進行篩選、整理。對收集得到的數據中的無效數據進行識別和處理，并檢驗剩余數據的有效性，例如反應溫度的取值范圍，以確保最終相關分析的有效性。

1.3 分析方法

采用相關性分析法，相關分析是研究兩個或兩個以上處于同等地位的隨機變量間的相關關系的統計分析方法，相關性的元素之間需要存在一定的聯系或者概率才可以進行相關性分析。相關系數則是定量評價相關性大小的指標，常用的相關性系數有Pearson相關系數、Kendall 相關系數以及Spearman 相關系數。本次研究采用Pearson相關系數。本文進行相關性分析的對象是SNCR工藝的氮氧化物排放濃度的兩種影響因子：反應溫度和氧氣含量。經過文獻檢索，窗口溫度為850～1300℃，考慮到反應區與監測設備之間存在熱量損失，將得到的數據以650℃為界限分為高、低溫兩組數據進行相關性分析。因此用Excel將處理后的數據篩選為：低于650℃的數據為低溫區，高于650℃的數據為高溫區，然后用SPSS軟件分析兩組氮氧化物排放濃度、反應溫度、氧氣含量和氨水噴射量的相關性。

2 結果

通過對數據的篩選，選用2016年1月—2017年6月523d的每小時數據進行篩選，最終得出12552組有效數據，其中低溫區1711組有效數據，高溫區10841組有效數據。氮氧化物排放濃度、反應溫度、氧氣含量和氨水噴射量的均值見表1。

表1 各項均值

本次研究對氮氧化物排放濃度與反應溫度、氧氣含量和氨水噴射量所構成的3對相關關系進行分析。利用SPSS 軟件計算得到Pearson相關系數的P值和R值。詳見表2和表3。

表2 低溫區P值和R值

表3 高溫區P值和R值

3 結論

(1)根據雙變量相關性分析結果可以看出，氮氧化物排放濃度與反應溫度的相關性：在低溫區低于高溫區，其R值為負，即為負相關，說明反應溫度在高溫條件優于低溫條件，低溫條件對于脫銷反應的影響較小，氮氧化物排放濃度無明顯變化；高溫條件對脫銷反應的影響較大，氮氧化物排放濃度有明顯變化。氮氧化物排放濃度與氧氣含量的相關性：低溫區與高溫區均為正相關，說明氧氣含量對于脫銷反應有阻礙作用，而水泥廠在線監測數據中氧氣含量均值為10.02%，遠遠高于理論值2%，與理論不符。氮氧化物排放濃度與氨水噴射量的相關性：低溫區沒有相關，高溫區相關性為弱相關，整體相關性較弱。

(2)低溫條件下，SNCR工藝脫銷反應緩慢進行，高溫條件下，SNCR工藝的脫銷反應處于較高水平，且溫度的變化對反應影響明顯，說明水泥廠的SNCR工藝在溫度的控制方面仍需要改進，應盡量避免低溫情況的發生。

(3)水泥廠SNCR工藝中的氧氣含量過高，對脫銷反應的影響較大，不利于脫硝工藝的正常進行，所以水泥廠應盡量將工藝中的氧氣含量保持在較低水平。

(4)氨水噴射量對脫硝反應并不是主要影響因子，并且高氨水噴射量會產生有害氣體，如氨氣，即增加氨水噴射量是降低氮氧化物排放最直接的方式，但并不是最有效的方式。