智能高效脫硝系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)上的應(yīng)用

潘偉東，張繼雄

為了改善空氣質(zhì)量，減少大氣污染物排放，國(guó)內(nèi)多省市出臺(tái)了超低排放實(shí)施計(jì)劃，要求氮氧化物排放限值為100mg/m3（標(biāo)），個(gè)別地區(qū)甚至要求在50mg/m3（標(biāo)）以下。我公司5 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線一直使用傳統(tǒng)的SNCR脫硝系統(tǒng)，NOx排放濃度控制在200mg/m3（標(biāo)）以下，系統(tǒng)運(yùn)行良好。2018年我公司所在地綿陽(yáng)市下發(fā)了《關(guān)于全市水泥生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)展超低排放改造工作的通知》，要求水泥窯廢氣顆粒物排放濃度＜10mg/m3（標(biāo)），二氧化硫排放濃度＜50mg/m3（標(biāo)），氮氧化物排放濃度＜150mg/m3（標(biāo)）。結(jié)合環(huán)保要求和生產(chǎn)線運(yùn)行情況，公司計(jì)劃將氮氧化物排放濃度控制到100mgm3（標(biāo)）以下，原SNCR脫硝系統(tǒng)很難達(dá)到此排放要求，且氨水用量非常大，公司決定對(duì)脫硝系統(tǒng)實(shí)施超低排放改造。

1 改造方案選擇

目前，主流的脫硝方法有選擇性非催化還原脫硝（SNCR）、選擇性催化還原脫硝（SCR）、生物質(zhì)脫硝、分級(jí)燃燒等。這幾種方法中，以SNCR脫硝方法最為穩(wěn)定，改造和運(yùn)行成本相對(duì)較低，適合水泥窯脫硝。但由于傳統(tǒng)的SNCR脫硝方法合理脫硝率為60%～70%，超過(guò)該脫硝率，氨水用量會(huì)急劇上升，同時(shí)帶來(lái)嚴(yán)重的氨逃逸問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕。

SNCR脫硝效率受反應(yīng)區(qū)溫度、粉塵濃度、噴射區(qū)截面積、煙氣含氧量、煙氣流速、氣流擾動(dòng)以及氮氧化物的原始濃度等多方面因素影響。由于水泥窯系統(tǒng)工況非常復(fù)雜，工藝波動(dòng)為常態(tài)，系統(tǒng)所產(chǎn)生的NOx濃度會(huì)隨著工藝的波動(dòng)而波動(dòng)，導(dǎo)致最適合SNCR脫硝的反應(yīng)區(qū)域也隨著工藝的波動(dòng)而變動(dòng)。傳統(tǒng)SNCR脫硝系統(tǒng)只能在固定的橫截面噴入氨水，并且只能設(shè)定固定的氨水用量，不能隨水泥窯系統(tǒng)的工況變化而變化，脫硝效率非常低。

經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，在眾多改造方案當(dāng)中，公司選擇了上海萬(wàn)澄提出的HeSNCR智能精準(zhǔn)脫硝方案。

HeSNCR脫硝系統(tǒng)的噴槍在分解爐上分層布置，每一層有相應(yīng)的自動(dòng)控制閥門(mén)以控制氨水流量和霧化空氣壓力。該脫硝系統(tǒng)的核心是智能控制軟件，能利用人工智能軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)分析水泥窯系統(tǒng)的各操作參數(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤窯況變化，準(zhǔn)確判斷氨水需用量，判斷脫硝效率最高的位置等，并且精確控制每組噴槍，在最合適的噴入點(diǎn)噴進(jìn)最適量的氨水，實(shí)現(xiàn)最高的脫硝效率。高效SNCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)還可以對(duì)NOx和氨逃逸進(jìn)行雙目標(biāo)控制，在達(dá)到最大的NOx脫除率的同時(shí)，有效控制氨逃逸。

圖1 高效SNCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 運(yùn)行分析

HeSNCR脫硝系統(tǒng)超低排放改造在2019年1月停窯檢修期間進(jìn)行，2月開(kāi)始調(diào)試，3月中旬開(kāi)始正常運(yùn)行。

我公司水泥窯系統(tǒng)沒(méi)有采用分級(jí)燃燒，氮氧化物原始濃度為500～600mg/m3（標(biāo)），原用SNCR系統(tǒng)長(zhǎng)期控制指標(biāo)為200mg/m3（標(biāo)），NOx排放濃度波動(dòng)比較大，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)±50mg/m3（標(biāo)）的波動(dòng)。

表1 脫硝系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表

使用HeSNCR脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行后，NOx長(zhǎng)期排放濃度按照100mg/m3（標(biāo)）控制。3月中旬進(jìn)行了兩天NOx50mg/m3（標(biāo)）排放指標(biāo)的測(cè)試，平均NOx排放偏低。4月份和5月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)比較正常，NOx平均排放濃度均在98mg/m3（標(biāo)）左右，能將NOx排放濃度穩(wěn)定控制在100mg/m3（標(biāo)）以下。使用HeSNCR脫硝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)NOX100mg/m3（標(biāo)）排放指標(biāo)，所需的總氨水用量和熟料氨水單耗并不比使用原脫硝系統(tǒng)控制指標(biāo)在200mg/m3（標(biāo)）時(shí)多，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3月10日～11日，我公司按照日均50mg/m3（標(biāo)）氮氧化物排放指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。其數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

將NOx排放濃度控制在50mg/m3（標(biāo)）時(shí)，氨水用量為3.74L/t熟料，但氨水用量波動(dòng)非常大，有時(shí)即使加大氨水用量，NOx的小時(shí)均值也并不能控制在50mg/m3（標(biāo)）以下。經(jīng)專家分析，利用氨水還原氮氧化物需要有氧氣參與反應(yīng)，在SNCR系統(tǒng)合適的溫度窗口區(qū)域內(nèi)必須有充足的氧氣，而我公司水泥持續(xù)高產(chǎn)，高溫風(fēng)機(jī)已達(dá)極限，分解爐內(nèi)氧含量不足，影響了SNCR的脫硝效率，尤其是在NOx排放濃度控制非常低時(shí)，氧含量會(huì)更加不足。分解爐內(nèi)氧含量可以用C1的一氧化碳濃度作參考，以消除用C1氧氣濃度作參考時(shí)因漏風(fēng)引起的干擾。測(cè)試結(jié)果表明，若采用HeSNCR技術(shù)將NOx控制在50mg/m3（標(biāo)）以下，C1的一氧化碳濃度應(yīng)控制在0.1%以下。

表2 NOx控制在50 mg/m3（標(biāo)）時(shí)的數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）利用HeSNCR智能精準(zhǔn)脫硝系統(tǒng)，能將NOx排放濃度準(zhǔn)確控制在100mg/m3（標(biāo)）以下，氨水用量比原系統(tǒng)NOX排放濃度200mg/m3（標(biāo)）時(shí)低。

（2）利用HeSNCR智能精準(zhǔn)脫硝系統(tǒng)，NOx排放濃度可控制在50mg/m3（標(biāo)）以下，但受分解爐內(nèi)氧氣含量影響非常大，需調(diào)整工藝操作，如加大高溫風(fēng)機(jī)拉風(fēng)或減產(chǎn)，并且減少煤粉秤沖煤現(xiàn)象，以控制C1的CO濃度＜0.1%。同時(shí)，有研究表明，控制C1的CO濃度也有利于減少熟料熱耗。