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 水泥爐窯脫硝項目實施背景

目前，水泥行業(yè)執(zhí)行的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》要求NOx排放限值為800mg/m3（標）；2012年11月6日，國家環(huán)保部關(guān)于征求意見函《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》（環(huán)辦函[2012]1270號）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）m3；《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃的通知》（國發(fā)（2012）40號）要求2015年水泥行業(yè)NOX排放量控制在150萬噸，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)實施新型干法窯降氮脫硝，新建、改擴建水泥生產(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，當時工藝設(shè)計未采用先進的低氮燃燒技術(shù)，預(yù)熱器采用分級燃燒技術(shù)，窯尾NOx正常排放濃度在500～650mg/m3（標）之間。為了達到即將出臺的新《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》的要求，響應(yīng)國家節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃目標要求，我公司決定率先開展水泥SNCR煙氣脫硝試點工作。

作為浙江省第一家水泥SNCR脫硝試點企業(yè)，我公司于2011年8月啟動脫硝工程改造項目。經(jīng)過充分的前期技術(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。該項目于2012年7月完成了2500t/d熟料生產(chǎn)線的脫硝項目建設(shè)，順利通過調(diào)試及168h試運行階段，并通過了安全、環(huán)?！叭瑫r”竣工驗收。

2 水泥爐窯SNCR脫硝工藝簡介

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進行選擇性反應(yīng)。該反應(yīng)無需催化劑，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、儲存、輸送模塊、軟水儲存、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)備以進口為主，進口設(shè)備采購費用440多萬元。工藝流程見圖1。

（1）氨水卸氨、儲存、輸送模塊

通過氨水槽車將氨水由外界運輸?shù)桨眳^(qū)，通過氨水卸氨模塊送入氨水儲罐。儲罐內(nèi)的氨水經(jīng)過氨水輸送模塊的氨水輸送離心泵送至高位平臺上的PU模塊。

該模塊的主要設(shè)備配置：

氨水儲罐1只，為非標設(shè)計的不銹鋼儲罐，設(shè)計容積為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，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，采用不銹鋼多級離心泵，自帶水箱，成套配置有硬度檢測儀、液位連鎖保護等。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濃度自動調(diào)節(jié)氨水供給量，過量的氨水和軟水回流至各自儲罐；PU模塊實現(xiàn)還原劑的計量分配功能，對應(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)測儀表布置在水泥爐窯尾煙囪平臺上，NOx監(jiān)測儀表采用西門子儀表，氨逃逸監(jiān)測儀表采用ABB儀表，同時，將監(jiān)測信號引入DCS，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。

（5）電儀及控制系統(tǒng)

主要電氣設(shè)備均采用遠程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站點進行通信，接收來自PLC站的所有設(shè)備信號，并能精確計算還原劑注入量。正常運行是通過集中控制系統(tǒng)實現(xiàn)自控，在正常運行模式下，該系統(tǒng)不需要人工控制。

3 SNCR脫硝系統(tǒng)實際運行情況分析

3.1 系統(tǒng)連續(xù)投運效果分析

為考察脫硝裝置可靠性、裝置對目標NOx控制濃度的響應(yīng)值，公司決定連續(xù)投運脫硝裝置，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），脫硝裝置投入運行后，當脫硝后NOx目標值為不大于300mg/m3（標）時，系統(tǒng)投入自動運行，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)氨水耗量約為350L/h，氨逃逸可以控制在1～2mg/m3（標）；在第33h時，將脫硝后NOx目標值調(diào)整為200mg/m3（標），脫硝系統(tǒng)自動調(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），根據(jù)工況略有波動。

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脫硝效果（目標NOx排放濃度）可達性和氨逃逸的影響，將系統(tǒng)調(diào)節(jié)至手動模式，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圖3。

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

圖2 SNCR運行時氨水加入量和出口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NOx排放濃度對應(yīng)的氨氮摩爾比

圖5 噴氨試驗時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），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，脫硝后的NOx可以控制在300mg/m3（標）以下，脫硝效率為45.5%，氨逃逸約1mg/m3（標），說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，脫硝后的NOx可以控制在200mg/m3（標）以下，脫硝效率為63.6%，氨逃逸可控制在2mg/m3（標）以下。若繼續(xù)增加氨水噴入量，出口NOx濃度可以進一步降低，但是NH3逃逸濃度呈指數(shù)增加，說明進一步增加氨水噴入量，氨水利用率會降低，部分未參與反應(yīng)的NH3隨煙氣直接排出。

3.3 不同目標NOx排放濃度對應(yīng)的NSR

上述運行工況由于噴入氨水量不同，煙氣成分相對穩(wěn)定，初始煙氣量 256000m3（標）/h，初始 NOx濃度550mg/m3（標），NSR不同時對應(yīng)的NOx排放濃度變化情況見圖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，曲線斜率呈下降趨勢，說明若要將出口NOx濃度控制在較低的水平，氨水投加量比目標控制值時的投加量要增加許多，而不是單純的線性關(guān)系，即不同的目標值對應(yīng)的NSR不同。要保證脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度不超過300mg/m3（標），需保證系統(tǒng)NSR≥1.0；若要將目標 NOx控制在200mg/m3（標）時，需保證系統(tǒng)NSR≥1.8。

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

3.4 脫硝裝置的投運對水泥生產(chǎn)工藝及二氧化硫排放的影響

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

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

表1 噴氨試驗時的生產(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)的投運對窯工藝系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量、其他污染物排放的影響可以忽略不計。

3.5 系統(tǒng)運行的主要參數(shù)

在正常工況下，系統(tǒng)連續(xù)運行時主要參數(shù)平均值見表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，此時脫硝效率＞60%，氨逃逸＜2mg/m3（標）。

4 結(jié)語

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，氨水利用率相對較高，總體運行成本最經(jīng)濟。據(jù)初步計算，經(jīng)該系統(tǒng)處理后，年NOx排放量可減少約1080t，具有良好的社會效益。

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

（1）目前SNCR脫硝系統(tǒng)的主要設(shè)備以進口為主，費用較高，建議該系統(tǒng)的主要設(shè)備盡可能國產(chǎn)化，以降低系統(tǒng)建設(shè)的投資費用。

（2）建議國家或相關(guān)機構(gòu)盡快出臺相關(guān)扶持政策或NOx排放濃度新標準，以確保市場經(jīng)濟競爭的公平性。