邢馨 甘昊 劉靜

（1銅陵市環(huán)境監(jiān)測中心站安徽銅陵 244000 2合肥水泥研究設(shè)計院 安徽合肥 230051）

水泥生產(chǎn)工藝演變到今天，已進(jìn)入新型干法生產(chǎn)占主導(dǎo)地位的時代，但新型干法生產(chǎn)技術(shù)仍在發(fā)展完善中。由于熟料生產(chǎn)中，絕大部分水泥工廠NOX排放值均處在目前《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2004）所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值800 mg/Nm3附近，有效降低新型干法水泥生產(chǎn)線氮氧化物的排放，將對提高環(huán)境質(zhì)量具有重大意義，而目前國內(nèi)外水泥窯脫硝主要以選擇性非催化還原（SNCR）法為主。

1 水泥窯SNCR系統(tǒng)工藝系統(tǒng)設(shè)備選型

1.1 SNCR系統(tǒng)工藝模塊

水泥窯SNCR脫硝系統(tǒng)由還原劑儲存系統(tǒng)、輸送模塊、計量分配模塊、噴射模塊、控制系統(tǒng)以及CEMS監(jiān)測系統(tǒng)組成。還原劑儲存系統(tǒng)用來儲存SNCR系統(tǒng)使用的還原劑，通過加壓泵同時輸送至稀釋系統(tǒng)稀釋后，最終被輸送至噴霧系統(tǒng)。計量及分配裝置就近布置在噴射系統(tǒng)附近解爐或預(yù)熱器平臺上,通過對爐窯的實時工況（如煙氣量、NOX及O2濃度等）進(jìn)行分析，調(diào)整輸送到噴射系統(tǒng)還原劑的流量。還原劑噴射系統(tǒng)主要由噴槍和相關(guān)部件組成，噴射位置選擇應(yīng)滿足以下條件：氨水噴入的位置沒有火焰；在反應(yīng)區(qū)域維持合適的溫度范圍（850~1050℃）；在反應(yīng)區(qū)域有足夠的停留時間（不小于0.5S）。監(jiān)測系統(tǒng)部分（CEMS）是根據(jù)窯尾在線監(jiān)測儀的氮氧化物數(shù)值來對噴氨量進(jìn)行控制，噴氨響應(yīng)時間，提高噴氨效率和精度，在窯尾煙囪設(shè)置氨逃逸監(jiān)測儀，對氨逃逸監(jiān)測。

1.2 SNCR系統(tǒng)控制部分

SNCR脫硝系統(tǒng)煙氣脫硝控制系統(tǒng)依據(jù)確定的NH3/NOX摩爾比來提供所需要的還原劑流量，摩爾比的決定是在現(xiàn)場測試操作期間來決定并記錄在還原劑流控制系統(tǒng)的程序上。所計算出的還原劑流需求信號送到控制器并和真實還原劑流的信號相比較，所產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)比例加積分動作處理去定位還原劑流控制閥，若還原劑因為某些連鎖失效造成噴霧動作跳閘，屆時氨氣流控制閥關(guān)斷?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)計算出的還原劑流需求信號去定位還原劑流控制閥，實現(xiàn)對脫硝的自動控制。通過在不同負(fù)荷下的對還原劑流的調(diào)整，找到最佳的還原劑噴入量。

還原劑流量可依溫度和壓力修正系數(shù)進(jìn)行修正。在設(shè)計和啟動期間，控制系統(tǒng)的特性用“查表”模型表示，建立NOX濃度與氨水噴射量的對應(yīng)關(guān)系，在正常運行期間，采取“查表”模型方法自動控制不同區(qū)域的噴射器與噴射流量[2]。

2 新型干法水泥生產(chǎn)線SNCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 反應(yīng)條件

不同還原劑有不同反應(yīng)溫度范圍，溫度范圍稱為溫度窗。NH3的反應(yīng)最佳溫度區(qū)為850～1100℃。當(dāng)反應(yīng)溫度過高時，由于氨分解會使NOX還原率降低[3]，另一方面，反應(yīng)溫度過低，氨逃逸增加，也會使NOX還原率降低。為了提高脫NOX的效率并實現(xiàn)NH3的逃逸最小化，應(yīng)滿足以下條件：在氨水噴入的位置沒有火焰；在反應(yīng)區(qū)域維持合適的溫度范圍（850~1050℃）；在反應(yīng)區(qū)域有足夠的停留時間（至少0.5秒，900℃）。

2.2 氨逃逸的控制

SNCR系統(tǒng)存在氨逃逸。從煙囪逃逸的氨可能來自兩種情況，一是由于噴入點煙氣溫度低影響了氨與NOX的反應(yīng)；另一種可能是噴入的還原劑過量或還原劑分布不均勻。在控制氨逃逸方面可采用在窯尾煙囪加裝氨逃逸在線監(jiān)測儀，實時監(jiān)控氨逃逸，通過調(diào)整噴入的氨水濃度來控制氨逃逸指標(biāo)。同時在系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中減少氨水跑冒滴漏，在氨水儲罐設(shè)置排氣閥，排氣閥后用水管連接通至純水儲罐。

2.3 SNCR系統(tǒng)氨利用率

在反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)，還原劑的霧化效果和爐膛內(nèi)還原劑與煙氣的混合均勻度直接關(guān)系到整個脫硝系統(tǒng)的脫硝效率[4]。噴槍是SNCR脫硝的關(guān)鍵設(shè)備，目前，絕大多數(shù)廠家都是采用雙流體噴槍，依靠壓縮空氣的推動力使氨水霧化。

2.4 SNCR控制系統(tǒng)

SNCR系統(tǒng)主要設(shè)備相對較少，工藝流程簡單，所以整個系統(tǒng)環(huán)節(jié)中過程控制至關(guān)重要，通過合理設(shè)置順序控制及連鎖、模擬量控制、熱工保護(hù)等控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)各節(jié)點參數(shù)可視化，操作中控化，運行自動化。

2.5 先進(jìn)的噴射策略

噴射策略簡單的說就是噴槍數(shù)量和布置方式的組合[5]。通過試驗和實踐，我們總結(jié)出適合水泥窯系統(tǒng)的高效噴射策略：在分解爐采用雙層噴槍布置，每層6支，每層噴槍長短槍交替配置，兩層噴槍長短槍投影相互交替的噴射策略。

3 SNCR工藝在新型干法生產(chǎn)線應(yīng)用實例

下面以安徽某水泥廠已投運的一條新型干法生產(chǎn)線SNCR脫硝系統(tǒng)為例做相關(guān)的說明。該生產(chǎn)線為一條日產(chǎn)5000噸熟料的新型干法生產(chǎn)線，配套SNCR脫硝系統(tǒng)，還原劑采用25%氨水，最大耗量為860 kg/h，NH3逃逸尾排煙囪小于10 ppm，氨水儲區(qū)小于15 ppm，脫硝系統(tǒng)與與窯系統(tǒng)同步檢修，運轉(zhuǎn)率100%，SNCR脫硝系統(tǒng)已穩(wěn)定運行了近3個月。水泥窯SNCR脫硝系統(tǒng)運行效果見表1。

表1 5000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線SNCR脫硝監(jiān)測結(jié)果

從上面的表中可以看出SNCR脫硝系統(tǒng)運行后氮氧化物減排效果明顯。

4 水泥窯SNCR脫硝成本分析以及對生產(chǎn)線的影響

4.1 對水泥生產(chǎn)能耗的影響

液態(tài)還原劑噴入水泥窯分解爐爐膛中，從以下幾方面影響水泥窯爐內(nèi)煙氣的傳熱及熱效率：影響煙氣的輻射特性；影響煙氣的熱物理性質(zhì)；增加煙氣的流量；吸收煙氣的熱量。氨水的加入流量與煙氣中氮氧化物流量呈正比，窯系統(tǒng)正常運行時煙氣中NOx的體積濃度為400ppm左右，即0.4‰左右，而氨水蒸發(fā)后在煙氣中的體積濃度與此相當(dāng)，由于濃度很低，不會顯著影響煙氣的輻射傳熱、熱物理性質(zhì)和增加煙氣的流量，因此不會顯著影響對流傳熱。但氨水的蒸發(fā)會吸收一些煙氣熱量，從而增加熱損失，使水泥窯爐效率有小量的降低。

理論上，水泥爐窯SNCR技術(shù)在分解窯噴入氨水后，由于氨水中氨的自身氧化反應(yīng)和氨水中水分的蒸發(fā)會吸收一定的熱量，另一方面，氨水中蒸發(fā)出的NH3與煙氣中的NOX（主要為NO）進(jìn)行氧化還原反應(yīng)會放出一定的熱量?，F(xiàn)對龍元建設(shè)安徽水泥有限公司5000t/d熟料生產(chǎn)線脫硝的熱平衡進(jìn)行說明。

1)基本數(shù)據(jù):

熟料實際產(chǎn)量為：5600t/d=233333kg/h,水泥窯消耗熱值為3100KJ/kg。將窯尾煙囪處NOX排放濃度由760mg/Nm3降至300mg/Nm3，約需消耗質(zhì)量濃度為25%氨水848kg(932L/h)，引入軟水作為稀釋水為200kg/h；液體總量1048kg/h，其中H2O約為836Kg，不計還原劑中NH3的化學(xué)反應(yīng)熱，

2）噴入水量對窯系統(tǒng)熱平衡說明

企業(yè)熱平衡結(jié)果如下表2,脫硝系統(tǒng)帶入分解爐的水對系統(tǒng)熱平衡有一定影響，但若考慮NH3的反應(yīng)熱則影響非常小，對熟料般燒段煙氣溫度影響有限，進(jìn)而不會對熟料產(chǎn)量及品質(zhì)產(chǎn)生影響。

表2 5000t/d水泥窯爐熱損失

4.2 對下游余熱鍋爐、除塵器的影響

SNCR技術(shù)工藝不會降低煙氣溫度，不增加粉塵，因此對余熱鍋爐基本不產(chǎn)生影響。氨逃逸可能會導(dǎo)致副產(chǎn)物銨鹽的生成，理論上有可能會導(dǎo)致預(yù)熱器結(jié)皮，布袋堵塞、微細(xì)顆粒排放及煙羽。但若控制氨逃逸小于8 mg/Nm3，可有效控制銨鹽的生成及對下游設(shè)備的影響。在余熱鍋爐檢修時可采用壓縮空氣清掃或高壓水霧對余熱鍋爐中的換熱管進(jìn)行清洗。

4.3 對水泥的產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

SNCR的還原劑是選擇性地與NOX反應(yīng)，而不與其它煙氣成份或原料化合物反應(yīng)，反應(yīng)只對煙氣成份產(chǎn)生影響，而不與固態(tài)原料發(fā)生反應(yīng)，不會影響水泥的產(chǎn)量或品質(zhì)[6]。

4.4 新型干法SNCR脫硝系統(tǒng)運行成本分析

在系統(tǒng)的運行成本組成里，最大的消耗是氨水消耗，其他的消耗包括排煙熱損失、電耗、壓縮空氣、人員工資以及易損件的消耗都相對較低。在實際實施過程中，SNCR的運行費用與NOX的初始排放值有直接關(guān)系[7]。經(jīng)過測算，該廠SNCR脫硝系統(tǒng)年運行費用約820萬，折算到每噸熟料的成本為4.43元/噸熟料。

5 結(jié)語

通過工程實例，新型干法水泥生產(chǎn)線安裝SNCR煙氣脫硝裝置脫除煙氣中的NOX，脫硝效果明顯，脫硝效率達(dá)到60%以上，氮氧化物排放大幅度削減。SNCR脫硝系統(tǒng)運行后，不會對煙氣中的粉塵產(chǎn)生不良影響；有效的改善水泥廠周圍的大氣環(huán)境質(zhì)量。SNCR脫硝工藝是新型干法水泥生產(chǎn)線氮氧化物減排的有效方案。今后可深入的對還原劑噴射高度、氨氮摩爾比、還原劑噴射速率和角度等參數(shù)對脫硝的影響規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1]張利勇.選擇性非催化還原脫硝技術(shù)的應(yīng)用及其運行控制策略[D].北京，華北電力大學(xué)動力工程專業(yè)，2008.

[2]路濤,賈雙燕,李曉蕓.關(guān)于煙氣脫硝的SNCR工藝及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].現(xiàn)代電力，2004，21(1).