水泥窯爐SNCR煙氣脫硝工藝設(shè)計

黃鵬程，林 雪，陳長卿，洪亞軍

（1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321000；2.金華環(huán)保設(shè)備研究所，浙江 金華 321000；3.金華華東環(huán)保設(shè)備有限公司，浙江 金華 321000）

水泥窯爐SNCR煙氣脫硝工藝設(shè)計

黃鵬程1，林 雪2，陳長卿2，洪亞軍3

（1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321000；2.金華環(huán)保設(shè)備研究所，浙江 金華 321000；3.金華華東環(huán)保設(shè)備有限公司，浙江 金華 321000）

針對5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線的特點和區(qū)域性燃煤的工業(yè)特性，在SNCR技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套煙氣量5.8×105Nm3/h，初始NOx排放濃度390～900mg/Nm3，脫硝后NOx排放濃度≥156～360mg/Nm3，氨逃逸濃度≤8mg/Nm3，還原劑（25%氨水）消耗量＜632kg/h，脫硝效率≥65%，系統(tǒng)可用率98%的SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)。對5000t/d熟料水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)的性能參數(shù)、工藝流程、主要組成部分和分散控制系統(tǒng)進行了設(shè)計及說明，此工藝可為國內(nèi)水泥行業(yè)煙氣脫硝工程的改造、設(shè)計提供借鑒和參考，實現(xiàn)低成本穩(wěn)定脫硝，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)競爭力。

水泥窯爐；煙氣脫硝；分散控制系統(tǒng)

引言

近年來，我國水泥行業(yè)發(fā)展迅速，同時帶來諸如環(huán)境污染、能源消耗過大、企業(yè)過度競爭、行業(yè)經(jīng)濟效率低迷等一系列問題。水泥行業(yè)已成為居火力發(fā)電、汽車尾氣之后的第三大氮氧化物排放大戶，占全國氮氧化物排放總量的15%～20%。《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915-2013）（以下簡稱：標(biāo)準(zhǔn)）對水泥行業(yè)的NOx排放量做了初步規(guī)定，規(guī)定其排放限值為800mg/m3。根據(jù)“十二五”規(guī)劃的要求，至2015年底，水泥行業(yè)氮氧化物的排放總量要比2010年下降10%。規(guī)劃還要求水泥行業(yè)的新建生產(chǎn)線必須同時配套安裝效率不低于60%的脫硝設(shè)備，以確保NOx的排放達到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。

水泥窯爐是新型干法水泥生產(chǎn)線中的關(guān)鍵技術(shù)裝備，同樣也是水泥行業(yè)氮氧化物的主要排放源之一，其煙氣具有溫度高、風(fēng)量大、NOx排放量大的特點。為標(biāo)準(zhǔn)修訂開展有關(guān)抽樣調(diào)查獲得的148個新型干法水泥窯氮氧化物排放數(shù)據(jù)，平均排放濃度為621.5mg/m3，其中約80%水泥窯平均排放濃度在500mg/m3以上。

針對5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線的特點，本文在SNCR技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了了一種煙氣脫硝工藝。在確保排放達標(biāo)的前提下，實現(xiàn)低成本穩(wěn)定脫硝，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)競爭力。

1 SNCR煙氣脫硝技術(shù)

選擇性非催化還原（SNCR）是一種煙氣脫硝技術(shù)，其原理是將氨還原劑在一定的溫度窗口下與NOx發(fā)生選擇性非催化還原反應(yīng)，達到降低NOx排放量的效果[2]。還原劑噴入爐膛溫度為850℃～1100℃的區(qū)域，迅速釋放出NH3氣，與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和水。SNCR煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率一般為30%～60%[3]，受鍋爐結(jié)構(gòu)、反應(yīng)溫度、噴槍位置、還原劑噴射量等因素的影響較大[4]。

在無催化劑、溫度為850℃～1100℃條件下，氨還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx，基本上不與煙氣中的O2作用。主要反應(yīng)機理見化學(xué)方程式①，若溫度過高，NH3則被氧化成NO，見化學(xué)方程式②[5]。

相對于選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，SNCR技術(shù)的脫硝效率較低，約為60%。但是，SNCR技術(shù)的成本只有SCR技術(shù)的1/5，且對水泥窯爐正常運行的影響較小。

2 設(shè)計依據(jù)及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 設(shè)計依據(jù)

水泥行業(yè)回轉(zhuǎn)窯爐的主要燃燒對象是燃煤，在物料燒制過程中，會產(chǎn)生大量的煙氣，煙氣中含有大量NO[6]。

x本SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要是為長期穩(wěn)定確保5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線水泥窯爐的NOx排放量達到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的，煙氣參數(shù)見表1所示。生產(chǎn)線上每臺窯爐的耗煤量為27.6t/h，所燃燒的煤種是產(chǎn)自福建清流縣的無煙煤（摻加30%的煙煤），其工業(yè)分析見表2所示。

表1 5000t/d水泥生產(chǎn)線水泥窯爐脫硝煙氣參數(shù)

表2 煤質(zhì)工業(yè)分析

2.2 性能參數(shù)

水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)的主要設(shè)計的性能參數(shù)如下：

（1）脫硝入口煙氣參數(shù)為設(shè)計值的條件下，溫度＞850℃時，脫硝裝置NOx脫除效率不低于65%（從390～900mg/Nm3降至156～360mg/Nm3）。脫硝效率也稱為NOx脫除率，其計算方法如下式：

其中：

C1——脫硝前煙氣中NOx折算濃度（干基，10%O2），以O(shè)2計，mg/Nm3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

C2——脫硝后煙氣中NOx折算濃度（干基，10%O2），

以O(shè)2計，mg/Nm3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。

（2）氨的逃逸濃度≤8mg/Nm3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基，10%O2）。氨的逃逸濃度是指在脫硝裝置反應(yīng)區(qū)出口氨的濃度（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基，10%O2）。

（3）脫硝系統(tǒng)儀用和雜用空氣量：脫硝裝置儀用空氣量為0；雜用空氣量為40～80Nm3/min。

（4）還原劑耗量：在滿足NOx脫除率、氨的逃逸率等性能參數(shù)的前提下，SNCR系統(tǒng)25%的氨水的消耗量＜632kg/h；最低連續(xù)運行煙溫850℃；最高連續(xù)運行煙溫1100℃。

（5）系統(tǒng)可用率≥98%。

其中：A——水泥窯爐每年總運行時間，7200h；B——脫硝系統(tǒng)每年總停運時間，h。

（6）脫硝裝置可用率≥98%。

其中：A—脫硝系統(tǒng)裝置統(tǒng)計期間可運行小時數(shù)；

B—脫硝系統(tǒng)裝置統(tǒng)計期間強迫停運小時數(shù)；

C—脫硝系統(tǒng)裝置統(tǒng)計期間強迫降低處理等效停運小時數(shù)。

3 水泥窯爐煙氣脫硝工藝流程及組成

3.1 SNCR煙氣脫硝工藝流程

水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)的工藝流程如下圖所示。

水泥窯爐煙氣脫銷工藝流程圖

3.2 SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要組成部分

水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要由六大功能模塊組成：SNCR反應(yīng)模塊、氨水儲存及供應(yīng)模塊、給料分配模塊、氨水噴射模塊、水消防模塊以及包括采暖、通風(fēng)、除塵及空調(diào)在內(nèi)的其他功能模塊。

（1）SNCR反應(yīng)模塊

SNCR反應(yīng)模塊是指未經(jīng)脫硝的煙氣與NH3混合后在合適的溫度區(qū)域產(chǎn)生反應(yīng)的功能區(qū)域。在SNCR反應(yīng)區(qū)內(nèi)，通過均勻噴入還原劑，在合適的溫度范圍內(nèi)使煙氣中的氮氧化物與NH3產(chǎn)生反應(yīng)生成N2與H2O，從而達到除去煙氣中氮氧化物的目的。

（2）氨水儲存及供應(yīng)模塊

氨水儲存及供應(yīng)模塊包括氨水運輸車、卸氨泵、氨水儲罐和氨氣緩沖罐。除此之外，氨水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置有廢水收集排放池，通過氨水儲罐或氨氣緩沖罐的安全閥收集罐里低濃度的氨水和消防冷卻噴淋廢水。廢水沉淀后通過排污泵返回到氨水儲罐搭配使用，實現(xiàn)廢水的循環(huán)利用。

（3）給料分配模塊

給料分配模塊的主要功能是實現(xiàn)氨水的分配、壓縮空氣的混合以及還原劑的流量控制。用來測量和控制正常運行時需要的氨水量的組件被裝配在給料分配模塊中，并配有一個控制閥和一個流量變送器，用來自動控制噴槍的氨水溶液總流量。除此之外，給料分配模塊還包括手動閥門、氣動控制閥門和玻璃浮子流量計，可以方便靈活地控制每根噴槍的實際流量，以便獲得更加均勻的流場分析。

（4）氨水噴射模塊

氨水噴射模塊的功能是實現(xiàn)還原劑與煙氣均勻、充分混合，并在故障時能迅速手動投退?？紤]到噴槍噴嘴的霧化效果對系統(tǒng)脫硝效率的影響，采用機械霧化或空氣霧化以提高噴槍的霧化效果。同時噴頭的介質(zhì)霧化角度大于130°，以擴大還原劑噴出時與煙氣的接觸面積，提高反應(yīng)率。

（5）水消防模塊及其他功能模塊

水消防模塊以及包括采暖、通風(fēng)、除塵及空調(diào)在內(nèi)的其他功能模塊的功能是保證設(shè)計的水泥窯爐脫硝系統(tǒng)在可靠、安全、高效的運作環(huán)境中實現(xiàn)脫硝功能。

3.3 分散控制系統(tǒng)

分散控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是功能分散和物理分散相結(jié)合，控制水平與現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線的自動化水平保持一致，其功能控制中心納入現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線的控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩者在硬件與軟件上的統(tǒng)一。

分散控制系統(tǒng)接收來自窯爐和其附屬控制柜的數(shù)據(jù)信號，并根據(jù)上述數(shù)據(jù)實現(xiàn)對還原反應(yīng)相關(guān)參數(shù)的適時調(diào)整。同時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)脫硝系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)和脫硝效率，對氨水儲存及供應(yīng)模塊和給料分配模塊進行調(diào)節(jié)和處理。

分散控制系統(tǒng)的功能主要包括采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、聯(lián)鎖保護、煙氣脫硝系統(tǒng)廠用電源系統(tǒng)的監(jiān)控。除此之外，分散控制系統(tǒng)還可實現(xiàn)煙氣檢測、成分分析與還原劑量控制等的監(jiān)控任務(wù)。

4 結(jié)論

（1）針對水泥特性和燃煤的工業(yè)分析，設(shè)計水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)，基本設(shè)計參數(shù)為：煙氣量5.8×105Nm3/h，初始NOx排放濃度390～900mg/Nm3，脫硝后NOx排放濃度≤156～360mg/Nm3，氨的逃逸濃度≤8 mg/Nm3，還原劑（25%氨水）消耗量＜632kg/h，脫硝效率≥65%，系統(tǒng)可用率在98%以上。

（2）水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)由六大功能模塊和分散控制系統(tǒng)組成。六大功能模塊主要包括SNCR反應(yīng)模塊、氨水儲存及供應(yīng)模塊、給料分配模塊、氨水噴射模塊、水消防模塊，以及包括采暖、通風(fēng)、除塵及空調(diào)在內(nèi)的其他功能模塊等。

[1] 金玲，蔣春來，楊金田，等．“十二五”水泥行業(yè)氮氧化物控制技術(shù)的經(jīng)濟分析[J]．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012，5 ：19-23．

[2] 李穹，吳玉新，楊梅瑞，等．SNCR脫硝特性的模擬及優(yōu)化[J]．化工學(xué)報，2013，64（5）：1789-1796．

[3] 梁磊．130t/h循環(huán)流化床鍋爐煙氣SNCR脫硝工程設(shè)計及應(yīng)用[J]．中國電力，2015，48（10）：152-156．

[4] 葛健，李靜婷，劉輝，等．熱態(tài)燃燒裝置爐內(nèi)溫度和組分分布及SNCR脫硝實驗研究[J]．節(jié)能技術(shù)，2012，30（1）：11-14．

[5] 秦亞男，楊玉，時偉，等．SNCR-SCR耦合脫硝中還原劑均布性的研究[J]．浙江大學(xué)學(xué)報（工業(yè)版），2015，49（7）：1255-1261．

[6] 李曉燕．水泥窯爐SNCR脫硝工藝技術(shù)應(yīng)用[J]．中國高新技術(shù)企業(yè)，2015，14（329）：66-67．

Design for SNCR Flue Gas Denitration Technology in Cement Kiln

HUANG Peng-cheng, LIN Xue, CHEN Chang-qing, HONG Ya-jun

X701

A

1006-5377（2017）01-0039-03