水泥窯高溫高塵SCR 脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

尹海濱

（江蘇科行環(huán)保股份有限公司，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)窯爐， 目前NOx治理技術(shù)已基本形成高溫高塵SCR 脫硝、 高溫中塵SCR脫硝、中溫中塵SCR 脫硝等技術(shù)應(yīng)用可行路徑。而以上三種脫硝工藝技術(shù)路徑的應(yīng)用也各有優(yōu)缺點(diǎn)。高溫高塵SCR 脫硝工藝具有投資省、占地面積小、布置相對(duì)靈活、運(yùn)維成本稍低等優(yōu)勢(shì)，但在高塵運(yùn)行工況下存在催化劑堵塞、磨損、氣固分散不均、微細(xì)粉及堿金屬堵塞中毒等問(wèn)題。 為解決高溫高塵的脫硝工藝及反應(yīng)器設(shè)計(jì)問(wèn)題，進(jìn)行了探討。

1 水泥高溫高塵布置時(shí)的煙氣工況條件

高溫高塵SCR 脫硝工藝布置位置為新型干法水泥生產(chǎn)線懸浮預(yù)熱器C1 下降管與窯尾余熱鍋爐間，見圖 1，此處溫度（280～340） ℃[1]，粉塵濃度高達(dá)100 g/m3，詳細(xì)參數(shù)見表1，堿金屬氧化物含量見表2。

圖1 技術(shù)路線

表1 新型干法水泥生產(chǎn)線懸浮預(yù)熱器C1 后煙氣參數(shù)

表2 水泥C1 下降管粉塵氧化物含量分析（以氧化物計(jì)） %

該處粉塵顆粒粒徑分析見圖2。

圖2 典型水泥C1 后煙塵顆粒粒徑

2 高溫高塵SCR 脫硝設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題與解決方案

根據(jù)煙氣工況條件分析， 高溫高塵水泥SCR脫硝設(shè)計(jì)中面臨煙氣煙塵均布、吹灰性能效果、噴氨/補(bǔ)氨工藝以及工藝布置影響等難點(diǎn)問(wèn)題。

2.1 煙氣塵均布

布置于C1 下降管后的SCR 反應(yīng)器，對(duì)應(yīng)的是100 g/m3的粉塵影響， 對(duì)反應(yīng)器/催化劑帶來(lái)的是催化劑堵塞、磨損的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。 做好反應(yīng)器內(nèi)煙氣煙塵的均布設(shè)置， 是滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。計(jì)算機(jī)CFD 流場(chǎng)模擬是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，區(qū)別于常規(guī)流場(chǎng)模擬范圍的是此設(shè)計(jì)中必須考慮粉塵的相對(duì)均布， 以創(chuàng)造對(duì)SCR 催化劑煙塵均布以穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)條件[2]。 圖3 為試驗(yàn)反應(yīng)器的模擬結(jié)果情況。煙氣入射角最大偏差為9.05°，最大流速偏差為0.21 m/s。

圖3 反應(yīng)器入口流場(chǎng)模擬

為實(shí)現(xiàn)煙氣煙塵流場(chǎng)均布， 在CFD 模擬的基礎(chǔ)上，采用組合式導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案，通過(guò)分區(qū)分步導(dǎo)流板的設(shè)置實(shí)現(xiàn)均流目的，見圖4。

圖4 反應(yīng)器入口導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

項(xiàng)目試驗(yàn)期對(duì)上層催化劑上100 mm 處的實(shí)測(cè)情況，見表3。從測(cè)試的情況可見，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板設(shè)計(jì)優(yōu)化， 催化劑上表面實(shí)測(cè)流速相對(duì)偏差為2.45%，煙氣分布遠(yuǎn)小于流場(chǎng)模擬流速分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差15%的要求。

表3 實(shí)測(cè)上層催化劑上表面流速偏差值（CV=2.45%）

2.2 吹灰方式的選擇

吹灰器是反應(yīng)器中唯一的運(yùn)動(dòng)部件， 負(fù)責(zé)保證催化劑的表面、孔內(nèi)清潔，實(shí)現(xiàn)SCR 脫硝系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。 吹灰方式的選擇在高塵工況下尤為重要。我們結(jié)合水泥廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況， 對(duì)當(dāng)前可行的聲波和耙式吹灰器兩種吹灰方式進(jìn)行實(shí)際測(cè)試對(duì)比，以選擇出更合理的吹灰方案。 方案中吹灰器采用壓縮空氣為吹灰氣源，聲波吹灰器壓力為（0.3～0.4）MPa，耙式吹灰器壓力為（0.4～0.5） MPa。 吹灰方式測(cè)試趨勢(shì)見圖5。

圖5 吹灰方式測(cè)試趨勢(shì)

從試驗(yàn)情況看，聲波吹灰器反應(yīng)器阻力處于上升趨勢(shì)； 采用熱空氣吹灰器反應(yīng)器阻力成周期變化，分析存在緩慢上升趨勢(shì)；聲波+熱空氣（冷空氣）吹灰方案時(shí)，阻力波動(dòng)周期較短，阻力相對(duì)穩(wěn)定，但考慮冷空氣吹灰對(duì)催化劑性能及脫硝溫度的影響，實(shí)際應(yīng)用中建議采用熱空氣吹灰。

2.3 噴氨影響

現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線基本都配置SNCR 脫硝系統(tǒng)，以滿足 NOx小于 300 mg/Nm3的要求。 SCR 噴氨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需考慮SNCR 逃逸氨和SCR 脫硝前的補(bǔ)氨方案。水泥窯SNCR 正常采用氨水作為脫硝還原劑，在補(bǔ)氨設(shè)計(jì)上，有氨水直接噴射煙氣蒸發(fā)、氨水氣化噴氨格柵噴入兩種方案。這兩種方案在相關(guān)行業(yè)均有較為成熟的應(yīng)用， 該工況需考慮粉塵對(duì)氨水/氨氣、煙氣/氨氣混合的影響。

基于噴氨量、 煙氣量等條件接近的情況下，測(cè)試不同噴氨方式下NOx脫除效率。 通過(guò)對(duì)氨水直噴、遠(yuǎn)距離格柵噴入、近距離格柵噴入等形式的試驗(yàn)對(duì)比得出，遠(yuǎn)距離格柵噴射的方式在高塵情況下具有更好的脫硝效率，即氨利用率更高；氨水直噴的方式效率略低于氣化格柵噴射， 但偏差較小，考慮設(shè)備配置、維修難易度與運(yùn)行成本條件下，氨水直噴依舊是推薦的噴氨方式見表4。 該試驗(yàn)結(jié)果同理論分析結(jié)論相同，可解釋為氨水直噴在煙道內(nèi)氣化的氨氣同煙氣混合均勻性弱于格柵噴射；同時(shí)氨水氣化過(guò)程受限于高塵的吸附影響， 有案例表明，在水泥廠大修時(shí)水泥窯尾余熱鍋爐內(nèi)粉塵含有人體嗅覺可察覺的氨氣。

表4 不同噴氨方式對(duì)脫硝效率的影響

3 結(jié)論

（1）對(duì)于水泥窯高塵布置形式，煙氣流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是必須的， 流場(chǎng)設(shè)計(jì)不僅要保證煙氣的均布，同時(shí)必須考慮煙塵的均布。

（2）吹灰器是高塵SCR 運(yùn)行的重要保障措施，試驗(yàn)結(jié)論表明，采用聲波吹灰和熱空氣耙式吹灰方案均有較好的控制阻力增加的效果。 在實(shí)際工程應(yīng)用中，可根據(jù)吹灰形式采用水泥窯高塵SCR 脫硝專用耙式吹灰器。

（3）水泥窯SCR 氨水直噴和氣化后格柵噴入兩種噴氨方式中，氨水直噴雖然氨利用稍低，但在滿足混合條件下，依然是首選推薦方式。 氨水直噴工藝在設(shè)備投資、操作維護(hù)上具有更大優(yōu)勢(shì)。