黃彬，孫文博

1 前言

隨著環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，NOX排放成為水泥行業(yè)重點(diǎn)管控指標(biāo)之一。新型干法水泥窯因燒結(jié)溫度高、過(guò)?？諝饬看螅蛊銷OX排放濃度高且排放量大，脫硝工作面臨著艱巨的挑戰(zhàn)。目前，水泥廠大多采用選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)控制水泥窯爐NOX的排放，但SNCR 技術(shù)脫氮效率低，日常運(yùn)行費(fèi)用高，給企業(yè)增加了較重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

我公司5 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線采用SNCR技術(shù)脫硝。在正常生產(chǎn)情況下，水泥窯煙氣NOX排放要求＜100mg/Nm3（10%O2）時(shí)，氨水（濃度20%）用量約8.3kg/t.cl，熟料生產(chǎn)成本較高，氨逃逸對(duì)環(huán)境造成污染。在水泥窯脫硝過(guò)程中，氨水中的大部分水分被窯尾廢氣蒸發(fā)，會(huì)產(chǎn)生一定的蒸發(fā)熱，使得煤耗增加；同時(shí)，水分隨高溫氣流在熱工設(shè)備中流動(dòng)，會(huì)造成高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)設(shè)備本體及其管道的腐蝕，以及袋收塵器的收塵袋結(jié)露等問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅會(huì)嚴(yán)重影響熟料的正常生產(chǎn)，造成臨時(shí)停窯停產(chǎn)，還會(huì)增加日常維護(hù)和停窯檢修工作的時(shí)長(zhǎng)與人工成本。

為消除脫硝不利造成的不良影響，我公司決定采用低氨分級(jí)燃燒技術(shù)，利用生產(chǎn)線的例行停窯檢修時(shí)間對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。改造以SNCR脫硝技術(shù)為基礎(chǔ)，利用煤粉所帶水分與煤粉氣化所產(chǎn)生的水煤氣、燃煤產(chǎn)生的CHi、CO、生料粉等還原物質(zhì)，與煙氣中的NOX反應(yīng)，降低NOX的濃度，從而減少SNCR脫硝時(shí)的氨水用量。技改后，該生產(chǎn)線不僅降低了生產(chǎn)成本、滿足了NOX排放要求，同時(shí)由于氨水用量的降低，減少了熱耗，減弱了NOX對(duì)后續(xù)余熱發(fā)電、生料制備、廢氣處理等系統(tǒng)的設(shè)備腐蝕，降低了收塵器糊袋概率，也減少了氨逃逸，提高了生產(chǎn)線的產(chǎn)能利用率。

2 工作原理

2.1 水泥窯氮氧化物（NOX）的生成機(jī)理

水泥生產(chǎn)排放的氮氧化物（NOx）主要為NO和少量的NO2，其中NO 占95%以上。水泥窯煙氣脫硝是通過(guò)向分解爐內(nèi)噴入大量還原劑NH3·H2O，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保達(dá)標(biāo)。水泥窯氮氧化物的形成機(jī)理如下：

（1）熱力型NOX的形成。熱力型NOX是空氣中的N2在高溫下氧化而產(chǎn)生的NOX。熱力型NOX的產(chǎn)生量主要取決于反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度達(dá)1 300℃以上時(shí)，NOX隨著溫度的不斷升高而成倍數(shù)大量生成?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：

（2）燃料型NOX的形成。燃料型NOX是燃料中的含氮化合物在燃燒過(guò)程中熱分解且氧化而生成的NOX。

（3）快速型NOX的形成。快速型NOX是空氣中的N2與燃料中的碳?xì)浠鶊F(tuán)（CH、CH2等）在反應(yīng)區(qū)附近快速生成的NOX，其生成量較少，一般占NOX總量的5%以下。

2.2 分級(jí)燃燒技術(shù)工作原理

煤粉在貧氧高溫環(huán)境下產(chǎn)生CO，煤粉中＜2%的水分在高溫下產(chǎn)生水煤氣，通過(guò)優(yōu)化分解爐煤粉燃燒系統(tǒng)、三次風(fēng)管、C4 下料管等，在分解爐錐體部位建立還原劑產(chǎn)生區(qū)、NOX還原區(qū)。

（1）還原劑產(chǎn)生區(qū)工作原理

煤粉利用無(wú)焰燃燒器均勻噴至貧氧燃燒區(qū)內(nèi)，煤粉在高溫貧氧條件下，產(chǎn)生CO 還原劑，煤粉中＜2%的水分在高溫?zé)o氧條件下與碳反應(yīng)生成CO、H2還原劑，煤揮發(fā)分在高溫下析出CH4、HCN 等還原劑。化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

揮發(fā)分析出CH4、HCN。

（2）NOx還原區(qū)工作原理

在熱生料調(diào)節(jié)溫度及催化作用下，窯尾煙氣中的 NOx 在還原區(qū)內(nèi)與 CO、H2、CH4、HCN 等還原劑發(fā)生反應(yīng)，將NOX還原成無(wú)污染的惰性氣體N2。此外，少量的碳在缺氧條件下將NO 還原成N2，并且抑制自身燃料型NOx 的產(chǎn)生。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

一般情況下，NOX的還原時(shí)間為0.6s～0.8s。

3 改造關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

改造后的工藝流程如圖1所示。

圖1 改造后的工藝流程

3.1 分解爐煤粉燃燒系統(tǒng)技改

將4 支新貧氧燃燒器安裝在分解爐錐體底部膨脹節(jié)以上合適位置，煤粉經(jīng)分煤器、輸煤管道進(jìn)入改造后的4支新貧氧燃燒器，噴入分解爐中。改造后的窯尾煤管安裝位置如圖2所示，具體改造方案如下：

圖2 改造后窯尾煤管安裝位置

（1）拆除原有輸煤管道及分煤器，更換新的輸煤管道和分煤器，連接4支新貧氧燃燒器。

（2）在原主煤管合適位置安裝分煤器。新改管道按照使用要求和現(xiàn)場(chǎng)位置情況，在原分煤器位置安裝3個(gè)一分為二的分煤器，在合適位置制作分煤器閘閥操作平臺(tái)護(hù)欄。改造后的4 根輸煤管將煤粉均勻輸送至4支新貧氧燃燒器。

（3）將4支新貧氧燃燒器安裝于分解爐錐體底部膨脹節(jié)以上合適位置，并在同一水平面內(nèi)360°均布。煤粉經(jīng)燃燒器噴嘴高速進(jìn)入還原區(qū)內(nèi)并充分分散，在爐內(nèi)形成徑向擴(kuò)散，在此形成的缺氧環(huán)境中燃燒產(chǎn)生還原物質(zhì)，還原窯尾煙氣中大量的NOX，脫硝效果良好。

3.2 三次風(fēng)管技改及進(jìn)口優(yōu)化

為了使低氧還原區(qū)具有充足的反應(yīng)空間，對(duì)分解爐三次風(fēng)管進(jìn)行上移改造，具體改造方案為：

在原三次風(fēng)管進(jìn)口上部、分解爐直筒部位合適位置開孔，把進(jìn)入分解爐的三次風(fēng)管上移，使其均勻抬高合適的高度；將三次風(fēng)管與分解爐上新開的開口對(duì)接；封閉原分解爐上三次風(fēng)進(jìn)口，形成新的三次風(fēng)通道；優(yōu)化三次風(fēng)管進(jìn)入分解爐部分，使三次風(fēng)平滑切入分解爐內(nèi)。

3.3 C4下料管技改

C4 下料管中的生料，通過(guò)分料閥進(jìn)入分解爐的不同位置，可以達(dá)到調(diào)節(jié)分解爐錐體溫度，防止高溫結(jié)皮現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時(shí)，部分物料進(jìn)入改造的低氧還原區(qū)后，可以利用生料中氧化鈣等堿金屬氧化物對(duì)煤焦及煤粉的催化作用，還原窯爐內(nèi)生成的NOX。揮發(fā)分含量越高的煤，生料對(duì)還原NOX的催化作用越強(qiáng)。根據(jù)原系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)原C4 下料管下料位置進(jìn)行改造，具體改造方案為：

隨三次風(fēng)進(jìn)口位置的變化，調(diào)整三次風(fēng)管上部的C4 撒料盒安裝位置，將另外兩個(gè)撒料盒中的一個(gè)上提至合適的位置，將另一個(gè)撒料盒安裝在分解爐直筒的底部。撒料盒全部更換為可在線控制閥板角度的可調(diào)式撒料盒。改造后三次風(fēng)管、C4 下料管安裝位置如圖3所示。

圖3 改造后三次風(fēng)管、C4下料管安裝位置

可調(diào)式撒料盒可以在線調(diào)整揚(yáng)料板，使物料分散更均勻，反應(yīng)更充分，增強(qiáng)了氮氧化物與還原劑的反應(yīng)效果，降低了系統(tǒng)塌料風(fēng)險(xiǎn)?？烧{(diào)式撒料盒如圖4所示。

圖4 可調(diào)式撒料盒示意圖

3.4 SNCR噴槍系統(tǒng)技改

在C5 旋風(fēng)筒合適部位共安裝12 支脫硝噴槍，將氨水及霧化所需要的壓縮空氣從原脫硝系統(tǒng)控制柜內(nèi)引出，控制系統(tǒng)保持不變。脫硝噴槍安裝位置如圖5所示。

圖5 脫硝噴槍安裝位置

4 改造后的操作要點(diǎn)

（1）對(duì)水泥窯系統(tǒng)采取精細(xì)化操作，優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)熱工制度，保持適宜煅燒溫度，確保生料、燃料喂料量均勻穩(wěn)定。

（2）嚴(yán)格控制系統(tǒng)用風(fēng)，在不影響熟料質(zhì)量的前提下，盡量降低空氣過(guò)剩系數(shù)，將空氣過(guò)剩系數(shù)控制在1.05 以內(nèi)。確保窯尾煙室O2含量≤3%，但也要保證窯頭煤粉完全燃燒，窯內(nèi)不能出現(xiàn)還原氣氛，否則易形成黃心料。如果窯尾煙室氧含量偏高，可以適當(dāng)抬高三次風(fēng)閘板，保證窯尾煙室氧含量在合理范圍內(nèi)，否則還原區(qū)形成不好，氨水的消耗量會(huì)增加。

（3）燒成帶溫度過(guò)高對(duì)減少熱力型NOx 不利,在保證質(zhì)量的前提下，可以通過(guò)調(diào)整配料、添加外加劑等方法合理控制燒成溫度，減少窯內(nèi)熱力型NOX的形成。

（4）對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行密封堵漏，防止漏風(fēng)，避免噴入的煤粉在過(guò)氧條件下燃燒，出現(xiàn)高溫結(jié)皮，進(jìn)而影響脫硝效率及系統(tǒng)燃燒的正常運(yùn)行。

（5）進(jìn)一步調(diào)整噴煤量、C4分料量及三次風(fēng)用量，找出三者之間的最佳匹配量。我公司實(shí)踐表明，分解爐出口溫度不宜過(guò)高，不然會(huì)造成窯尾頻繁結(jié)皮。改造后，我公司確定的最佳控制參數(shù)為：分解爐出口溫度在860℃～870℃，窯頭煤與窯尾煤的比例在4.2：5.8～4.5：5.5，C4 下料管中生料100%經(jīng)上提之后再下料，三次風(fēng)閘板開度45%。

5 改造效果

（1）改造后，在正常生產(chǎn)情況下，水泥窯煙氣NOX排放要求＜100mg/Nm3時(shí)，氨水（濃度20%）用量約4.1kg/t.cl，氨水用量較技改前節(jié)省50%以上，節(jié)氨效果顯著。

（2）改造前，生產(chǎn)線氨逃逸濃度平均值為1.71mg/Nm3，≯8mg/Nm3合格率93.42%；改造后，生產(chǎn)線氨逃逸濃度平均值為0.27mg/Nm3，≯8mg/Nm3合格率100%。

（3）改造后，運(yùn)行參數(shù)更加優(yōu)化，系統(tǒng)運(yùn)行期內(nèi)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性提升，對(duì)原SNCR 脫硝噴氨系統(tǒng)及生產(chǎn)線運(yùn)行無(wú)負(fù)面影響。

（4）改造前，熟料游離氧化鈣合格率86.2%（游離氧化鈣控制指標(biāo)≤1.5%），3d 抗壓強(qiáng)度29.3MPa，28d 抗壓強(qiáng)度57.4MPa，窯產(chǎn)量232.2t/h。改造后，熟料游離鈣合格率85.6%（游離氧化鈣控制指標(biāo)≤1.5%），3d 抗 壓 強(qiáng) 度 28.9MPa，28d 抗 壓 強(qiáng) 度57.2MPa，窯產(chǎn)量231.7t/h。改造前后上述指標(biāo)變化不大，改造對(duì)窯系統(tǒng)產(chǎn)質(zhì)量基本無(wú)影響。

（5）本次技術(shù)改造無(wú)二次污染，沒(méi)有污染物或副產(chǎn)物生成。

6 結(jié)語(yǔ)

在降低氮氧化物排放的改造中，采取以增加分解爐還原區(qū)、延長(zhǎng)還原反應(yīng)時(shí)間為主，以分散物料、提高反應(yīng)效率為輔的思路，改造過(guò)程簡(jiǎn)單，后期運(yùn)行費(fèi)用低。生產(chǎn)實(shí)踐顯示，分級(jí)燃燒低氨脫硝技術(shù)可還原窯內(nèi)產(chǎn)生的熱力型NOX，抑制燃料型NOX的生成，可從源頭有效降低NOX的產(chǎn)生。