水泥窯SNCR工藝分析

曾昌伍

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，合肥 230051）

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高，新的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》即將實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水泥企業(yè)水泥窯及窯磨一體機(jī)排放的氮氧化物（以NO2計(jì)）進(jìn)行了新的規(guī)定。

自2013年1月1日起至2014年12月31日止，現(xiàn)有企業(yè)執(zhí)行的大氣污染物排放限值見表1；自2015年1月1日起，現(xiàn)有企業(yè)執(zhí)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(yè)執(zhí)行的大氣污染物排放限值見表3；重點(diǎn)地區(qū)企業(yè)執(zhí)行的大氣污染物特別排放限值見表4。執(zhí)行特別排放限值的時(shí)間和地域范圍由國(guó)務(wù)院環(huán)境保護(hù)行政主管部門或省級(jí)人民政府規(guī)定。

表1 現(xiàn)有企業(yè)目前大氣污染物排放限值

表2 自2015年1月1日起現(xiàn)有企業(yè)大氣污染物排放限值

表3 自2013年7月1日起新建企業(yè)大氣污染物排放限值

表4 自2013年7月1日起重點(diǎn)地區(qū)企業(yè)大氣污染物特別排放限值

目前國(guó)內(nèi)有數(shù)千條水泥熟料生產(chǎn)線，在新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定下，絕大多數(shù)需要增加或改造脫硝系統(tǒng)。針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)際情況，使用選擇性非催化還原脫硝技術(shù)（SNCR）工藝比較經(jīng)濟(jì)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(qū)域，還原劑迅速熱分解成NH3并與煙氣中的NOx進(jìn)行SNCR反應(yīng)生成N2。該反應(yīng)以爐膛為反應(yīng)器，可以通過(guò)對(duì)分解爐進(jìn)行改造或合理選擇噴入口得以實(shí)現(xiàn)。

SNCR工藝脫硝效率主要取決于反應(yīng)溫度、NH3與NOx的化學(xué)計(jì)量比、混合程度、反應(yīng)時(shí)間等，其中溫度控制最為重要。溫度過(guò)高，NH3容易被氧化成NO，抵消NH3的脫硝效果；溫度過(guò)低，NH3反應(yīng)不完全，存在NH3泄漏問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明在900℃～1100℃這個(gè)溫度范圍內(nèi)，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(jiǎn)單，在火電廠脫硫效率一般為30%～50%，對(duì)于水泥旋窯，由于有多級(jí)預(yù)熱器，效率會(huì)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(duì)SNCR的分塊也不一樣。一般來(lái)說(shuō)，使用氨水作為還原劑的工藝大致可以分為以下8個(gè)部分：軟水供應(yīng)系統(tǒng)P1、還原劑卸料系統(tǒng)P2、還原劑儲(chǔ)存系統(tǒng)P3、還原劑供給系統(tǒng)P4、還原劑控制系統(tǒng)P5、噴射系統(tǒng)P6、壓縮空氣系統(tǒng)P7、電氣及自動(dòng)控制系統(tǒng)P8。

（1）軟水供應(yīng)系統(tǒng)P1

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

表5 軟化水參數(shù)

軟水通過(guò)管道進(jìn)入水箱，水箱中的軟水通過(guò)提升裝置（設(shè)置1臺(tái)立式多級(jí)離心泵）進(jìn)入氨水高位儲(chǔ)罐或噴射系統(tǒng)。

（2）還原劑卸料系統(tǒng)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(tǒng)采用泵模塊加注。氨水卸料泵為自吸式標(biāo)準(zhǔn)加注泵，設(shè)置2臺(tái)（1運(yùn)1備），并列布置。

（3）還原劑儲(chǔ)存系統(tǒng)P3

設(shè)置1臺(tái)或2臺(tái)滿足6天脫硝系統(tǒng)用量要求的氨水儲(chǔ)罐，氨水儲(chǔ)罐采用304不銹鋼制造。

儲(chǔ)罐及泵站模塊應(yīng)安裝于混凝土圍堰內(nèi)。為避免罐內(nèi)過(guò)壓或真空，罐頂安裝呼吸閥。儲(chǔ)罐設(shè)液位、氨水濃度儀、溫度、壓力監(jiān)測(cè)，通過(guò)液位變送器實(shí)現(xiàn)就地及遠(yuǎn)程連續(xù)監(jiān)測(cè)。

儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)應(yīng)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(shí)氨氣直接排放到大氣中，需將廢氣引致水箱進(jìn)行吸收氨氣，水箱采用PE材質(zhì)，容積為2m3。

（4）還原劑供給系統(tǒng)P4

氨水提升裝置用于將氨罐內(nèi)的氨水輸送到高位氨水罐內(nèi)，提升裝置設(shè)置2臺(tái)立式多級(jí)離心泵（1運(yùn)1備），氨水高位儲(chǔ)罐安裝液位計(jì)與氨水提升泵進(jìn)行連鎖控制。

稀釋水輸送供應(yīng)裝置的設(shè)置充分滿足窯爐運(yùn)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(jì)量泵、過(guò)濾器、變頻器及用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制輸送系統(tǒng)壓力、流量?jī)x表等設(shè)備。

（5）還原劑控制系統(tǒng)P5

用于計(jì)量和混合的儀器儀表整合在一個(gè)鋼柜內(nèi)。NOx控制儀所要求的必須數(shù)量的氨水溶液由氨水管線供應(yīng)。所需氨水?dāng)?shù)量由流量計(jì)控制、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。所需數(shù)量稀釋水在與氨水溶液混合前由流量計(jì)控制、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。每個(gè)噴射點(diǎn)均由流量計(jì)控制，確保分配適當(dāng)。還原劑混合液的壓力由安裝的壓力計(jì)控制。

分配裝置采用環(huán)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(diào)節(jié)閥、壓力、流量?jī)x表等設(shè)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(tǒng)P6

采用水泥廠自有壓縮空氣氣源作為還原劑噴射系統(tǒng)和儀用壓縮空氣氣源，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)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(tǒng)和氣動(dòng)設(shè)備需要。

（7）噴射系統(tǒng)P6

還原劑噴射系統(tǒng)采用壓縮空氣將還原劑霧化噴入高溫?zé)煔庵?。噴槍材質(zhì)應(yīng)滿足運(yùn)行工況的要求：噴槍安裝在分解爐第二和第三層側(cè)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(chǎn)品；噴槍外護(hù)套管因與煙氣接觸，應(yīng)選用耐磨、耐高溫1100℃以上的合金鋼材質(zhì)。噴槍外設(shè)風(fēng)冷套管，采用一次風(fēng)、二次風(fēng)（或壓縮空氣）作為冷卻風(fēng)，確保噴槍在高溫環(huán)境下正常使用，在高濃度粉塵環(huán)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(dòng)控制系統(tǒng)P8

根據(jù)脫硝裝置運(yùn)行監(jiān)控要求，配置完整的儀表和控制系統(tǒng)。

一些SNCR工藝沒(méi)有設(shè)計(jì)好，當(dāng)裝置停止使用時(shí)，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(duì)運(yùn)行成本的考慮，使用自來(lái)水代替了軟水，這些都會(huì)影響到管道的清潔和噴嘴的堵塞程度，進(jìn)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(xué)習(xí)、不斷改進(jìn)的地方。細(xì)節(jié)決定好壞，也許設(shè)計(jì)的流程科學(xué)，但由于噴嘴安裝的位置不一樣，脫硝的結(jié)果就大相徑庭。就即將實(shí)施的新標(biāo)準(zhǔn)和目前的脫硝實(shí)際情況來(lái)看，需要提供SNCR工藝的廠家和水泥企業(yè)都重視起來(lái)，只有這樣，我國(guó)的水泥窯SNCR技術(shù)才能做到真正意義上的世界技術(shù)，水泥窯氮氧化物達(dá)標(biāo)排放才能落到實(shí)處