預(yù)分解窯SNCR脫硝系統(tǒng)技術(shù)改造的實(shí)踐

周桂勝（山東魯碧建材有限公司，山東 濟(jì)南 271100）

0 引言

隨著我國十四五規(guī)劃關(guān)于“推動(dòng)綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生”主題的提出；加強(qiáng)污染防治和生態(tài)建設(shè)，持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量已作為一項(xiàng)基本國策來具體實(shí)施。NOx作為空氣污染物的主要成分之一，其排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格，目前山東省內(nèi)對(duì)于氮氧化物排放濃度的標(biāo)準(zhǔn)為100 mg/m3以內(nèi)。

我公司4 800 t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線采用近年來水泥行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的選擇性非催化還原（SNCR）脫硝系統(tǒng)。其原理是在無需催化劑作用的條件下，將氨基還原劑霧化后噴入溫度在850～1 100℃的反應(yīng)區(qū)間內(nèi)，并與系統(tǒng)中氮氧化物發(fā)生還原反應(yīng);而影響脫硝反應(yīng)效率的因素包括氨水用量及其霧化效果、反應(yīng)區(qū)域的溫度、粉塵濃度、滯留時(shí)間以及氨槍的位置布局等等。很多生產(chǎn)線也針對(duì)上述因素進(jìn)行了諸多優(yōu)化探索，包括降低燒成溫度以降低熱力型氮氧化物的生成；降低窯內(nèi)過?？諝庀禂?shù)，甚至使窯內(nèi)煅燒環(huán)境中形成弱還原氣氛；應(yīng)用新型低氮煤粉燃燒器以及分解爐分級(jí)燃燒技術(shù)等等。然而，這些措施雖然能夠有效控制氮氧化物排放指標(biāo)，但仍需較多氨水成本的投入，且有些措施會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)窯熟料煅燒質(zhì)量和系統(tǒng)耐材使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，為此我廠對(duì)于氨槍位置布局進(jìn)行了一次新的優(yōu)化改造。

1 SNCR系統(tǒng)噴氨位置的探究與對(duì)比

1.1 噴槍布置位置探究

我公司目前采用氨水濃度為20%的SNCR脫硝系統(tǒng)；最初該系統(tǒng)的噴氨裝置布置在預(yù)熱器C3層分解爐中部區(qū)域，該處對(duì)于分配系統(tǒng)管路的壓損較大，脫硝反應(yīng)效率偏低且易出現(xiàn)氨逃逸等問題致使系統(tǒng)NOx排放指標(biāo)不穩(wěn)定的情況發(fā)生。

根據(jù)新型干法水泥煅燒系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，五級(jí)旋風(fēng)筒是繼分解爐后的熱工設(shè)備，燃料在分解爐內(nèi)充分燃燒、熱量交換以及生料預(yù)分解反應(yīng)后，廢氣及預(yù)分解后的生料才進(jìn)入五級(jí)旋風(fēng)筒，因此五級(jí)旋風(fēng)筒內(nèi)一氧化碳濃度較分解爐內(nèi)要低，大大降低了一氧化碳對(duì)脫硝反應(yīng)效率的影響。并且經(jīng)五級(jí)旋風(fēng)筒氣固分離后的粉塵濃度降低約90%左右，而在C5旋風(fēng)筒本體內(nèi)的反應(yīng)溫度約為850～950℃之間;霧化后的氨水在其內(nèi)部的停留時(shí)間能夠滿足SNCR脫硝反應(yīng)要求，所以理論上來講可作為SNCR脫硝系統(tǒng)噴氨的反應(yīng)區(qū)域，這樣既有利于SNCR系統(tǒng)脫硝反應(yīng)效率的同時(shí)還大大提高了氨水利用率。

1.2 系統(tǒng)熱工標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為進(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，我公司于2021年5月15日～5月17日對(duì)山東魯碧建材有限公司燒成系統(tǒng)進(jìn)行熱工標(biāo)定，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 窯尾溫度和壓力分布部分?jǐn)?shù)據(jù)

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)分析可知，五級(jí)旋風(fēng)筒出口溫度區(qū)間在810～850℃之間，且該處風(fēng)速較大，粉塵濃度較旋風(fēng)筒本體要大，物料的吸附作用對(duì)NOx的還原反應(yīng)有抑制影響，氨水混合停留時(shí)間較短，當(dāng)氨水使用流量較大時(shí)氨逃逸現(xiàn)象明顯，故脫硝效果并不理想；后結(jié)合CFD模擬見圖1，初步制定了SNCR脫硝噴槍的位置方案并針對(duì)SNCR脫硝氨噴霧的精確位置進(jìn)行了流場(chǎng)分析和探究。

圖1 C5旋風(fēng)筒本體布置氨水噴槍流場(chǎng)情況

從C5旋風(fēng)筒噴淋的氨水流場(chǎng)可以看出，氨水與煙氣混合并呈旋流狀態(tài)隨之移動(dòng)，且旋風(fēng)筒本體的氣流旋流強(qiáng)度較出口要高。這樣既促進(jìn)了氨水與煙氣中NOx的混合程度，氨水在旋風(fēng)筒內(nèi)的滯留還原反應(yīng)時(shí)間也得到了進(jìn)一步的延長，進(jìn)而提高了脫硝系統(tǒng)的反應(yīng)效率。

2 改造方案

2.1 SNCR系統(tǒng)噴槍位置改造

根據(jù)我公司回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合預(yù)熱器脫硝反應(yīng)的環(huán)境條件，在不改變?cè)蠧5上升煙道脫硝系統(tǒng)噴槍布局的基礎(chǔ)上，重新增設(shè)氨槍敷設(shè)點(diǎn)，在緊貼C5旋風(fēng)筒與錐體連接處上部共敷設(shè)6支脫硝噴槍，每列仍采用對(duì)稱式的氨槍布局，氨水及霧化所需要的壓縮空氣均由原控制系統(tǒng)引出。改造前后對(duì)比如圖2所示。為了使氨水在反應(yīng)環(huán)境內(nèi)分布更加均勻，調(diào)整氨槍伸入長度，噴頭由直噴優(yōu)化為垂直向下的環(huán)噴結(jié)構(gòu)。

圖2 改造前后效果圖

2.2 C4下料管改造

根據(jù)原系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，原C4下料管結(jié)構(gòu)為連接在分解爐錐體以上，緊貼分解爐下部，生產(chǎn)運(yùn)行中常因C4物料撒料不均、物料入分解爐速度過高致使物料在分解爐內(nèi)懸浮分散不良，后經(jīng)分解爐縮口沖入高溫區(qū)冷凝成球造成提前結(jié)粒等問題，此類物料通常在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不易燒透且包裹著未燃盡的煤粉，破碎后多呈欠燒、包心等狀態(tài)。針對(duì)此類問題，將原C4翻板閥及以下部分拆除，在C4錐體下部管道上加裝分料閥，連接2個(gè)下料管道，管道直徑900 mm不變，分料閥下分的兩個(gè)管道上各安裝有一個(gè)翻板閥用于鎖風(fēng)和排灰，各管道均連接到分解爐下部，其撒料箱位于改造后三次風(fēng)管的上部0.5 m的截面處，物料通過撒料箱進(jìn)入分解爐，并且將C4各撒料板改為可調(diào)式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程中物料的撒料情況來優(yōu)化調(diào)整撒料板角度和伸入尺寸，既確保了料粉分散的均勻程度，還能起到平衡分解爐錐部的溫度場(chǎng)的作用。使料粉均勻進(jìn)入改造后的低氧還原區(qū)，利用生料中堿性氧化物的催化作用來還原系統(tǒng)內(nèi)的NOx。

2.3 分解爐煤粉燃燒系統(tǒng)及三次風(fēng)管進(jìn)口改造

采用新型分煤器和四個(gè)貧氧燃燒器。將四支貧氧煤粉燃燒器安裝在煙室膨脹節(jié)以上分解爐錐體底部位置，四支貧氧燃燒器在同一水平面內(nèi)呈360°均布；煤粉經(jīng)改造后的管道均勻的輸送至四根貧氧燃燒器噴入分解爐中，經(jīng)噴嘴高速噴入還原反應(yīng)區(qū)域內(nèi)部的煤粉呈徑向分散，不僅加大了煤粉的分散程度和延長反應(yīng)的時(shí)間，還保證煤粉在弱還原氣氛中燃燒，利用此還原區(qū)域來自還原窯尾煙氣中生成的氮氧化物。

另外為了確保低氧還原區(qū)的反應(yīng)空間，對(duì)窯尾三次風(fēng)閘板后部管道進(jìn)行上移優(yōu)化改造。根據(jù)我公司窯型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將三次風(fēng)閘板后部風(fēng)管與分解爐接口整體上移2 m，使原連接分解爐錐部的管道改造至連接到分解爐下部、錐部以上的位置，風(fēng)管仍保持原管徑不變；調(diào)整三次風(fēng)管入分解爐的連接角度，確保三次風(fēng)能夠沿分解爐內(nèi)壁沿切向進(jìn)入爐內(nèi)，并與尾煤充分混合隨氣流回旋向上，配合在三次風(fēng)管末端增設(shè)的管徑1 m脫氮管聯(lián)合使用，使燃料、高溫氣流合理匹配從而達(dá)到在窯尾系統(tǒng)內(nèi)形成脫硝還原區(qū)域，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自脫硝、提高脫硝經(jīng)濟(jì)性的目的。

3 改造后系統(tǒng)運(yùn)行效果及操作要求

首先通過對(duì)系統(tǒng)的熱工標(biāo)定監(jiān)測(cè)得知，預(yù)熱器系統(tǒng)中C5旋風(fēng)筒的溫度區(qū)間在850～900℃，霧化后的氨水在其內(nèi)部停留時(shí)間約為1.00s以上，料粉濃度經(jīng)旋風(fēng)筒本體氣料分離后僅為分解爐及C5旋風(fēng)筒出口的1/10左右，且一氧化碳濃度較低。綜上所述,C5旋風(fēng)筒本體的溫度環(huán)境、氨水的停留反應(yīng)時(shí)間等影響因素均更有利于SNCR脫硝系統(tǒng)的反應(yīng)條件，改造后系統(tǒng)熱工制度和NOx排放量更加穩(wěn)定，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)NOx超低排放工作奠定了基礎(chǔ)。

其次通過多年的實(shí)際運(yùn)行，本次SNCR脫硝系統(tǒng)噴氨位置改造至緊貼C5旋風(fēng)筒與錐體連接處上部的實(shí)踐證明NOx排放濃度在同等環(huán)保指標(biāo)的控制條件下，氨水用量及氨水用量波動(dòng)得到進(jìn)一步降低，氨水的利用效率提升了近20%，平均每月可節(jié)約氨水用量約300t，大幅節(jié)約了脫硝運(yùn)行的投入成本。

此外，眾所周知的在熟料煅燒的過程中水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒成帶的溫度高達(dá)1400℃左右，多通道煤粉燃燒器形成的火焰溫度甚至高達(dá)1700℃以上。這種高溫的環(huán)境下可以促使回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)N2和O2發(fā)生反應(yīng)生成大量熱力型NOx；熟料燒成系統(tǒng)中氮氧化物的幾種形成機(jī)理及對(duì)NOx排放量的比例關(guān)系見圖3。

圖3 NOx的三種形成機(jī)理及NOx形成量趨勢(shì)圖

因此在中控操作過程中須注意工藝參數(shù)方面的精細(xì)化操作。優(yōu)化多通道煤粉燃燒器各不同風(fēng)道的用風(fēng)比例，調(diào)整風(fēng)煤混合效率來控制火焰形狀和燃燒速度，通過調(diào)整出的理想火焰和合理的燒成區(qū)間有利于降低系統(tǒng)內(nèi)NOx的形成。

通過我單位改造后近兩年來的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，SNCR脫硝系統(tǒng)在C5旋風(fēng)筒錐體上部加裝噴槍后,系統(tǒng)NOx排放指標(biāo)在同等環(huán)?？刂茥l件下，氨水使用量較改造前又降低了近30%左右，見表2。

表2 近年三年環(huán)保監(jiān)測(cè)平均數(shù)據(jù)匯總

4 結(jié)語

氨水用量波動(dòng)明顯下降?？梢姳敬渭几牡男Ч@著，在積極推進(jìn)公司降本增效工作的同時(shí),也響應(yīng)了現(xiàn)階段國家以及行業(yè)對(duì)于環(huán)保形勢(shì)的要求。