水泥窯爐SNCR工藝主要運行參數(shù)控制

蘇錦燕，張澤玉（深圳市格瑞斯達科技有限公司，廣東 深圳 518607）

SU Jin-yan, ZHANG Ze-yu

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水泥窯爐SNCR工藝主要運行參數(shù)控制

蘇錦燕，張澤玉
（深圳市格瑞斯達科技有限公司，廣東 深圳 518607）

摘 要：結(jié)合西安西京公司1200t/h生產(chǎn)線煙氣脫硝技改工程總承包項目的設(shè)計及調(diào)試，介紹了SNCR工藝的運行特點，總結(jié)出還原劑、氨氮比、噴槍安裝位置及數(shù)量、噴氨量等工藝參數(shù)的合理規(guī)范及控制方法。調(diào)試運行證明，在合理的設(shè)計范圍內(nèi)，其整體運行情況良好，系統(tǒng)的脫硝效率可達到國家環(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：水泥窯；脫硝效率；選擇性非催化還原法；參數(shù)控制

Main Operation Parameter Control of SNCR Technology in Cement Kiln

SU Jin-yan, ZHANG Ze-yu

目前，水泥窯NOx控制技術(shù)主要包括低氮燃燒器、分級燃燒法、選擇性非催化還原法（SNCR）和選擇性催化還原法（SCR）等，各控制技術(shù)的脫氮效率如表1所示。

表1　各控制技術(shù)的脫硝效率

低NOx燃燒器目前在國內(nèi)已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，但其效果受窯工況影響較大，一般NOx的排放量不能達到預(yù)期效果或效果不明顯。SCR法具有脫硝效率高的優(yōu)勢，在電廠鍋爐脫硝被廣泛應(yīng)用。但由于SCR操作溫度窗口和含塵量的特殊要求，在國內(nèi)外水泥生產(chǎn)線上極少使用，主要原因為：1）出C1的煙氣通常用于余熱發(fā)電，出余熱發(fā)電系統(tǒng)的煙氣溫度無法滿足SCR的溫度要求；2）窯尾框架周邊基本上沒有布置SCR催化劑框架的空間；3）出C1的煙氣中高濃度粉塵及有害元素易造成催化劑破損和失效；4）一次性投資大；煙氣通過催化劑的阻力增大了窯系統(tǒng)的阻力；

5）催化劑每三年需要更換，運行成本高。SNCR法在歐洲水泥工業(yè)已應(yīng)用20多年，效果較好。

選擇性非催化還原法脫硝工藝（簡稱SNCR），是在沒有催化劑的條件下，利用還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水的一種脫硝方法。

西安西京水泥有限責任公司1200t/h生產(chǎn)線，根據(jù)現(xiàn)場場地、投資運行、窯爐工況等經(jīng)濟及技術(shù)情況，采用SNCR工藝方法脫硝，現(xiàn)整體狀況運行良好，脫硝效率達到設(shè)計環(huán)保要求。

1　水泥窯SNCR工藝流程

西安西京水泥有限責任公司1200t/h生產(chǎn)線SNCR脫硝的工藝流程為：儲存在氨水儲罐的氨水經(jīng)稀釋為質(zhì)量濃度為20%～25%的氨水后，通過霧化噴射單元噴入分解爐合適溫度區(qū)域，霧化后的氨與NOx（NO、NO2等混合物）進行選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化成無污染的N2。SNCR（噴氨）系統(tǒng)主要由卸氨系統(tǒng)單元、罐區(qū)、輸送單元、混合單元、分配與調(diào)節(jié)單元、噴射單元、PLC控制系統(tǒng)等組成。其流程如圖1。

圖1 典型氨水SNCR脫硝工藝流程圖

2　關(guān)鍵參數(shù)及控制要點

2.1還原劑的選擇

SNCR工藝中常使用的還原劑主要有尿素、氨水及液氨。液氨作為還原劑時，其脫硝系統(tǒng)儲罐容積較小，價格最便宜，缺點是氨氣有毒、可燃、可爆，儲存的安全防護要求高，需經(jīng)相關(guān)的消防安全部門審批才能大量儲存、使用。尿素作為還原劑，從投資及運行成本分析，脫硝效率低于氨水，且投資及運行成本均高于氨水。從安全性方面考慮，尿素為無毒、無害的化學(xué)品，不易爆炸，適用于大型鍋爐設(shè)備的SNCR脫硝工藝。從還原劑物理性質(zhì)、溫度窗選擇、脫氮率和化學(xué)反應(yīng)效率、投資運行費用以及對主體設(shè)備影響等因素考慮，氨水作為還原劑比氨氣的噴射剛性、穿透能力好，具有流程短、副反應(yīng)少、系統(tǒng)設(shè)備占地面積小、脫氨率高、對主體設(shè)備影響小以及經(jīng)濟性更佳等優(yōu)勢。因此該項目優(yōu)先采用氨水作為工程的還原劑。幾種還原劑性能對比見表2。

表2　幾種還原劑性能對比

2.2氨氮比NSR的控制

合適的氨氮比是保證脫硝效率的關(guān)鍵因素，由于實際的化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜，為保證脫硝效率，在實際反應(yīng)中需注入比理論量多的還原劑。氨氮摩爾比越大越有利于提高脫硝效率，但同時增大了氨的逃逸率及運行成本，當NSR = 2.0時，脫硝效率增加并不明顯，因此在實際工程中要選擇一個最佳氨氮比，以滿足工程設(shè)計的脫硝效率及氨的逃逸率，在實際生產(chǎn)實踐中，一般氨氮摩爾比的控制在1.2～1.6為宜，根據(jù)去除效率要求適當調(diào)整。

2.3窯爐中噴射氨水的位置

工程設(shè)計中首先運用計算流體力學(xué) CFD 模型進行工程模擬，模擬分解爐內(nèi)煙氣的流動和溫度，以初步確定氨的噴射位置；其次進行現(xiàn)場實測，根據(jù)模擬結(jié)果及實測結(jié)果確定噴嘴的布置。

該工程的溫度場選擇在850℃～950℃。當溫度高于1000℃時，NOx的脫除率由于氨氣的熱分解而降低；溫度低于1000℃以下時，NH3的反應(yīng)速率下降，還原反應(yīng)進行得不充分，NOx脫除率下降，同時氨氣的逸出量可能增加。

2.4噴槍的選擇及參數(shù)控制

噴槍形式、數(shù)量的確定，直接影響還原劑的噴射量、霧化效果、噴射點的分布，并決定還原劑與煙氣的接觸面積、接觸時間，從而影響SNCR的脫硝效率。

噴槍有固定式（見圖2）和伸縮式兩種類型，伸縮式噴槍不直接暴露在高溫煙氣中，可根據(jù)實際情況調(diào)整進入爐膛的長度，在鍋爐啟動、停運或季節(jié)性運行或其他一些原因SNCR需停運時候，噴射器可退出，因此其的使用壽命比固定式噴槍長。但伸縮式的噴槍比固定式噴槍的價格高，一般伸縮式噴槍的價格是固定式噴槍的2倍。

還原劑在噴槍中噴嘴的有壓下噴射，可獲得最佳大小及分布的液滴，用噴射角度及速度控制反應(yīng)劑軌跡。因此噴嘴的角度、速度及由噴槍入口壓力控制的霧化效果，對脫硝效率起著重要作用。

該工程在項目成本控制及運行允許的范圍內(nèi)，采用8只固定式噴槍，不銹鋼材質(zhì)，一層布置，圍繞窯爐相應(yīng)溫度場對稱均布。單支噴槍的噴射流量應(yīng)控制在1.2～8.5L/min，噴槍入口處，液體及壓縮空氣壓力控制在0.40M～0.60MPa。噴嘴采用55°噴射角。整個噴霧系統(tǒng)都有自反饋和自動調(diào)節(jié)功能，通過在線監(jiān)測C1級筒出口（或煙囪出口）NOx排放值，利用反饋系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)和控制氨水噴射量，在保證脫硝效率前提下，減少系統(tǒng)運行成本。噴槍能適應(yīng)不同稀氨水的流量，在流量變化幅度較大時也能保持優(yōu)良的霧化效果。

2.5反應(yīng)時間的控制

在SNCR反應(yīng)過程中，需要有充足的停留時間，以保證還原劑與煙氣充分混合。如果停留時間太短，還原劑與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)不完全，會造成脫硝效率的下降；如果停留時間太長，過多的NH3會與O2反應(yīng)，重新生成NOx，根據(jù)工程經(jīng)驗，較佳停留時間約為0.5s。

3　SNCR工藝優(yōu)勢

與脫硝效率較高的SCR工藝方法相比，SNCR工藝有以下優(yōu)勢：

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要改變現(xiàn)有鍋爐的設(shè)備設(shè)置，只需在現(xiàn)有的鍋爐的基礎(chǔ)上增加氨或尿素儲槽、氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可；

（2）系統(tǒng)投資小，SNCR工藝由于系統(tǒng)簡單，以及運行中只需要廉價的尿素或液氨而不需要昂貴的催化劑，相對于SCR40～60美元/kW的昂貴造價，SNCR5～10美元/kW的造價，更適合中小鍋爐或脫硝效率要求不高的工況；

（3）阻力小，對鍋爐的正常運行影響較??；

（4）系統(tǒng)占地面積小，需要的較小的氨或尿素儲槽，可放置于鍋爐鋼架之上而不需要額外的占地預(yù)算。

4　運行結(jié)果

西安西京水泥有限責任公司1200t/h生產(chǎn)線脫硝工程在調(diào)試、運行中，系統(tǒng)穩(wěn)定，脫硝效率達到設(shè)計要求，水、電、氨水耗量等各項經(jīng)濟指標也均在設(shè)計范圍內(nèi)。該企業(yè)的脫硝房和水泥窯爐見圖3、圖4。

圖2 固定式噴槍

圖3 脫硝房

圖4 水泥窯爐

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中圖分類號：X701

文獻標志碼：A

文章編號：1006-5377（2016）03-0044-03