基于雙變量相關(guān)性分析的SNCR工藝氮氧化物排放濃度影響因子的研究
——以石林某水泥廠為例

李艷芳,江映翔，王 棟，胡建富

(1.石林彝族自治縣節(jié)能監(jiān)察大隊(duì)，云南 石林 655220；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650000； 3.昆明海螺水泥有限公司，云南 石林 655220)

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)脫硝技術(shù)于20世紀(jì)70年代起源于日本，80年代末在歐盟國家開始工業(yè)應(yīng)用，90年代初進(jìn)入美國。目前，該技術(shù)已經(jīng)在我國工業(yè)中廣泛應(yīng)用和發(fā)展。SNCR技術(shù)的在線監(jiān)測技術(shù)(CEMS)也是脫硝技術(shù)的重要組成部分，它可以直觀、客觀、低成本地將各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)出來。

氮氧化物排放濃度的影響因子包括：反應(yīng)溫度、氨氮摩爾比、氧氣含量、循環(huán)灰、反應(yīng)停留時間、CO濃度、NO濃度、水蒸汽濃度和反應(yīng)壓強(qiáng)等。針對各影響因素，已有大量實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)。然而，諸多文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件各不相同，所取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論也有不同程度的差別。本文中SNCR所處的地理位置及高程決定了尾氣出口的氣壓、氣溫也是影響因素之一，因此，對各影響因子的雙變量相關(guān)性分析就存在一定的必要性。

經(jīng)相關(guān)文獻(xiàn)論證，溫度和含氧量是影響高溫噴氨脫硝效率的主要因素，氨水噴射量是水泥廠調(diào)節(jié)脫氨效率的常用方法，因此本文針對溫度、含氧量和氨水噴射量進(jìn)行相關(guān)性分析。高溫噴氨脫硝反應(yīng)存在相應(yīng)的窗口溫度：850～1300℃。對于氧氣含量，無氧條件下，OH活性基團(tuán)很少，高溫噴氨脫硝反應(yīng)進(jìn)行緩慢，當(dāng)氧含量<2%時，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成活性基團(tuán)H 和OH，促進(jìn)了NH3與NO的反應(yīng)，理論脫硝效率可達(dá)到較高水平。

本文數(shù)據(jù)來源于石林某水泥廠，該水泥廠地基高程為1879～1885m。針對2016、2017、2018三年的每小時數(shù)據(jù)，對反應(yīng)溫度和氧氣含量進(jìn)行相關(guān)性分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

對水泥廠窯后氣體排放進(jìn)行在線監(jiān)測，提取2016、2017、2018三年每小時檢測數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于任何工藝參數(shù)的探頭、煙氣在線監(jiān)測設(shè)備都有校準(zhǔn)、校零、維護(hù)保養(yǎng)的必要，這些時段的無效數(shù)據(jù)仍然被探測和采集，因此，首先應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、整理。對收集得到的數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和處理，并檢驗(yàn)剩余數(shù)據(jù)的有效性，例如反應(yīng)溫度的取值范圍，以確保最終相關(guān)分析的有效性。

1.3 分析方法

采用相關(guān)性分析法，相關(guān)分析是研究兩個或兩個以上處于同等地位的隨機(jī)變量間的相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計分析方法，相關(guān)性的元素之間需要存在一定的聯(lián)系或者概率才可以進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)系數(shù)則是定量評價相關(guān)性大小的指標(biāo)，常用的相關(guān)性系數(shù)有Pearson相關(guān)系數(shù)、Kendall 相關(guān)系數(shù)以及Spearman 相關(guān)系數(shù)。本次研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)。本文進(jìn)行相關(guān)性分析的對象是SNCR工藝的氮氧化物排放濃度的兩種影響因子：反應(yīng)溫度和氧氣含量。經(jīng)過文獻(xiàn)檢索，窗口溫度為850～1300℃，考慮到反應(yīng)區(qū)與監(jiān)測設(shè)備之間存在熱量損失，將得到的數(shù)據(jù)以650℃為界限分為高、低溫兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。因此用Excel將處理后的數(shù)據(jù)篩選為：低于650℃的數(shù)據(jù)為低溫區(qū)，高于650℃的數(shù)據(jù)為高溫區(qū)，然后用SPSS軟件分析兩組氮氧化物排放濃度、反應(yīng)溫度、氧氣含量和氨水噴射量的相關(guān)性。

2 結(jié)果

通過對數(shù)據(jù)的篩選，選用2016年1月—2017年6月523d的每小時數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，最終得出12552組有效數(shù)據(jù)，其中低溫區(qū)1711組有效數(shù)據(jù)，高溫區(qū)10841組有效數(shù)據(jù)。氮氧化物排放濃度、反應(yīng)溫度、氧氣含量和氨水噴射量的均值見表1。

表1 各項(xiàng)均值

本次研究對氮氧化物排放濃度與反應(yīng)溫度、氧氣含量和氨水噴射量所構(gòu)成的3對相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。利用SPSS 軟件計算得到Pearson相關(guān)系數(shù)的P值和R值。詳見表2和表3。

表2 低溫區(qū)P值和R值

表3 高溫區(qū)P值和R值

3 結(jié)論

(1)根據(jù)雙變量相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，氮氧化物排放濃度與反應(yīng)溫度的相關(guān)性：在低溫區(qū)低于高溫區(qū)，其R值為負(fù)，即為負(fù)相關(guān)，說明反應(yīng)溫度在高溫條件優(yōu)于低溫條件，低溫條件對于脫銷反應(yīng)的影響較小，氮氧化物排放濃度無明顯變化；高溫條件對脫銷反應(yīng)的影響較大，氮氧化物排放濃度有明顯變化。氮氧化物排放濃度與氧氣含量的相關(guān)性：低溫區(qū)與高溫區(qū)均為正相關(guān)，說明氧氣含量對于脫銷反應(yīng)有阻礙作用，而水泥廠在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中氧氣含量均值為10.02%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論值2%，與理論不符。氮氧化物排放濃度與氨水噴射量的相關(guān)性：低溫區(qū)沒有相關(guān)，高溫區(qū)相關(guān)性為弱相關(guān)，整體相關(guān)性較弱。

(2)低溫條件下，SNCR工藝脫銷反應(yīng)緩慢進(jìn)行，高溫條件下，SNCR工藝的脫銷反應(yīng)處于較高水平，且溫度的變化對反應(yīng)影響明顯，說明水泥廠的SNCR工藝在溫度的控制方面仍需要改進(jìn)，應(yīng)盡量避免低溫情況的發(fā)生。

(3)水泥廠SNCR工藝中的氧氣含量過高，對脫銷反應(yīng)的影響較大，不利于脫硝工藝的正常進(jìn)行，所以水泥廠應(yīng)盡量將工藝中的氧氣含量保持在較低水平。

(4)氨水噴射量對脫硝反應(yīng)并不是主要影響因子，并且高氨水噴射量會產(chǎn)生有害氣體，如氨氣，即增加氨水噴射量是降低氮氧化物排放最直接的方式，但并不是最有效的方式。