劉芬靜，汪峰峰（文縣祁連山水泥有限公司，甘肅 隴南 746408）

關(guān)鍵字：水泥企業(yè)；氮氧化物；氨水；噴槍；分級(jí)燃燒；自動(dòng)控制

0 前言

文縣祁連山水泥有限公司2500t/d新型干法熟料水泥生產(chǎn)線，采用帶分解爐的單系列五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器，分解爐采用柱體加鵝頸管形式，窯頭采用鄭州奧通的高動(dòng)壓低流量的低氮燃燒器。公司水泥窯脫硝治理項(xiàng)目于2014年6月完成施工，并通過(guò)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的驗(yàn)收。該工程采用國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝技術(shù)，主要使用20%左右濃度的氨水與煙氣中的氮氧化物混合來(lái)降低氮氧化物。隨著水泥窯煅燒火力不斷增強(qiáng)，產(chǎn)生的NOx增多，窯尾降低NOx措施中未設(shè)計(jì)窯尾分級(jí)燃燒技術(shù)，噸熟料氨水消耗2.3kg/t以上，2020年初通過(guò)公司管理人員結(jié)合公司實(shí)際工況對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，噸熟料氨水降低1.1kg，節(jié)氨效果較好。

1 SNCR原理與原有系統(tǒng)問(wèn)題分析

水泥企業(yè)NOx的治理方法主要是根據(jù)燃燒過(guò)程的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的，所以NOx的控制技術(shù)可分為三大類分別為：燃燒前、燃燒中、燃燒后的控制技術(shù)，其中水泥企業(yè)主要依靠燃燒中和燃燒后的控制措施。

SNCR脫硝技術(shù)即選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，以下簡(jiǎn)寫為SNCR）技術(shù)，是一種不用催化劑，在850～1100℃的溫度范圍內(nèi)，將還原劑（如氨水、尿素溶液等）噴入爐內(nèi)，將煙氣中的NOx還原脫除，生成氮?dú)夂退那鍧嵜撓跫夹g(shù)。在合適的溫度區(qū)域，且氨水作為還原劑時(shí)，其反應(yīng)方程式為：4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O。當(dāng)反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，由于氨的分解會(huì)使NOx還原率降低；反應(yīng)溫度過(guò)低時(shí)，氨的逃逸增加，也會(huì)使NOx還原率降低。SNCR煙氣脫硝工藝技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，在于還原劑噴入系統(tǒng)必須盡可能地將還原劑噴入到爐內(nèi)最有效溫度窗區(qū)域內(nèi)，盡可能的保障噴入還原劑的利用率。我公司原脫硝SNCR系統(tǒng)，共有6根噴槍，噴槍位置在預(yù)熱器分解爐鵝頸管入口，在運(yùn)行中存在氨水消耗量大、效率低等問(wèn)題。

因氨水消耗量大，通過(guò)與脫硝廠家技術(shù)交流，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況，確定我公司脫硝效率低主要有以下4個(gè)原因：

（1）原分解爐噴槍位置不合理。分解爐鵝頸管內(nèi)粉塵濃度和CO濃度較高，氨水噴入后霧化靠近內(nèi)壁，部分氨水迅速被飛灰吸附，且氨水還原NOx反應(yīng)的過(guò)程受CO濃度影響，氨水利用率低，影響脫硝效率。

（2）氨水噴槍采用的噴頭霧化差，噴槍穿透力不夠，噴射距離不足，脫硝效率低。在氨水噴入煙道內(nèi)后，實(shí)際噴射距離不足1m，導(dǎo)致噴出的氨水無(wú)法完全覆蓋水平煙道橫截面，氨水利用率不高，影響脫硝效率。

（3）水泥窯系統(tǒng)煅燒火力增強(qiáng)，產(chǎn)生的NOx增加，窯尾未實(shí)施分級(jí)燃燒，氨水消耗較高。

（4）脫硝控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度低。原SNCR控制系統(tǒng)為人工調(diào)節(jié)噴氨量，導(dǎo)致在NOx變化劇烈的情況下，操作員大幅度的調(diào)整氨水用量，存在人工控制滯后性，且為了維持氮氧化物排放不超標(biāo)，將氮氧化物排放值長(zhǎng)期控制在300×10-6以下，這樣就造成氨水使用量增加。

2 降氮措施

2.1 優(yōu)化脫硝氨水噴槍的位置，提高脫硝效率

預(yù)熱器五級(jí)錐部具有適宜的反應(yīng)溫度（850～950℃）時(shí)間和煙氣經(jīng)過(guò)錐部氣料分離后較低的粉塵濃度，脫硝的效率較粉塵濃度大的分解爐鵝頸管和五級(jí)出口要高。因此，將原脫硝噴槍的位置分解爐鵝頸管入口改到五級(jí)錐部平臺(tái)，在五級(jí)錐部設(shè)置6組噴槍，按照?qǐng)A周方向等分布置，相鄰兩根噴槍上下交錯(cuò)高差0.5m，插入深度1.5～1.7m，（見(jiàn)圖1）保持水平入內(nèi)，確保無(wú)死角，可以避免相鄰的噴槍噴出的氨水扇面發(fā)生碰撞，造成霧化后的氨水顆粒再次聚集和分布不均；噴槍噴出面積可覆蓋五級(jí)旋風(fēng)筒錐部的截面，使氨水和NOx高度混合。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)改造后噴槍位置

2.2 選用新型雙流體脫硝專用噴槍

新型雙流體脫硝專用噴槍（見(jiàn)圖2），脫硝噴槍的液、氣介質(zhì)獨(dú)立接入，脫硝溶液和壓縮空氣在噴槍內(nèi)部進(jìn)行混合，在噴射時(shí)高效霧化，氣液比小，節(jié)能顯著；霧滴粒徑細(xì)密均勻，噴霧穿透性強(qiáng)、覆蓋面大，能充分保障脫硝溶液與煙氣混合充分；噴槍液、氣接管采用快拆式接頭，安裝簡(jiǎn)單方便。具體的技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)如下：

圖2 新型雙流體脫硝專用噴槍結(jié)構(gòu)

（1）脫硝噴槍數(shù)量6套，噴槍直徑20mm、噴槍長(zhǎng)度2200mm。

（2）噴槍、噴頭材質(zhì)為310S4，該材質(zhì)具有耐高溫（最高耐熱溫度1400℃）、耐磨損的特性，快捷套筒直徑50mm、長(zhǎng)度40cm。

（3）霧化：一字扣霧化，流量40～600L/h，壓力：氨水：0.4MPa 氣：0.5MPa。

（4）霧化顆粒：35～70μm ，軟管長(zhǎng)度：3000mm，霧化角度：30～90°，霧場(chǎng)半徑：500～1000mm。

（5）噴射距離：3～5m，液滴出口流速：40m/s，工作溫度：850～1200℃，運(yùn)行周期：10000h。

（6）噴槍具有停用防堵功能，確保噴頭在高溫、高濃度粉塵、復(fù)雜的氣流環(huán)境中，不致堵塞；具有快裝、檢修拆卸方便的功能，工作運(yùn)行更安全可靠。

2.3 增加分級(jí)燃燒，降低氮氧化物NOx

原理：將水泥窯系統(tǒng)尾煤引一路到煙室上方合適位置喂入，因水泥窯窯尾煙氣是貧氧狀態(tài)（煙氣中O2含量在1%左右），加入煤粉后，在煙室至分解爐的錐部形成還原區(qū)，將窯內(nèi)產(chǎn)生的NOx進(jìn)行還原，脫硝效果取決于窯尾煙氣在還原區(qū)的停留時(shí)間。

具體方案：噴煤主管道上安裝一分三的煤粉分配器，各分路管道上安裝閘閥，保留原分解爐錐部的噴煤點(diǎn)位置，新增噴煤點(diǎn)位置在分解爐縮口上方600mm，噴煤點(diǎn)的燃燒器水平插入深度150mm，對(duì)接點(diǎn)利用法蘭連接，連接管道采用高壓鋼絲軟管。為提高煤粉的分散效果，避免新增煤粉打到對(duì)面爐壁上，造成結(jié)皮，為此在噴煤點(diǎn)燃燒器頭部加裝定位旋流塊（見(jiàn)圖3），原兩路噴煤點(diǎn)的閘閥開度100%，新增噴煤點(diǎn)運(yùn)行后通過(guò)不斷調(diào)試使用目前閘閥開度30%左右，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)燃燒節(jié)省氨水用量的效果。

圖3 噴煤點(diǎn)燃燒器頭部加裝自制定位旋流塊

2.4 增加自動(dòng)調(diào)節(jié)噴氨系統(tǒng)

智能脫硝控制系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多家水泥廠投入運(yùn)行。智能控制系統(tǒng)通過(guò)其內(nèi)置的強(qiáng)大算法，可以大幅提高生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵變量的穩(wěn)定性，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行驗(yàn)證，與手動(dòng)控制相比，智能控制系統(tǒng)脫硝控制器能夠有效降低煙囪出口氮氧化物濃度波動(dòng)范圍，在氮氧化物濃度達(dá)標(biāo)的前提下，降低噸熟料氨水用量。

增加1套XZK-1型脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)升級(jí)模塊和操作界面，將在線監(jiān)測(cè)的氮氧化物數(shù)值接入，將模塊的輸出接到控制氨水噴量的變頻器或調(diào)節(jié)閥上，對(duì)原脫硝系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)控制NOx濃度值，自動(dòng)調(diào)整氨水噴射泵的頻率，確保小時(shí)NOx濃度值在合理范圍，控制精度和適應(yīng)性都大大提高，達(dá)到節(jié)氨效果。

3 實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

通過(guò)本次對(duì)煙氣脫硝系統(tǒng)分層次的改造，投入少，效果較好，大大提高了SNCR脫硝的效率，降低了氨水消耗，改造前后系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 改造前后系統(tǒng)參數(shù)

按年熟料生產(chǎn)80萬(wàn)t計(jì)算，噸熟料氨水降低1.1 kg，可節(jié)約880t氨水，氨水無(wú)稅價(jià)876.1元/t，每年節(jié)約成本77萬(wàn)元，脫硝效率提高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化改造，打破了常規(guī)SNCR工藝在分解爐鵝頸管入口或五級(jí)出口安裝噴槍的理論，在脫硝效率上有較大提升，且噴槍重新布點(diǎn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，脫硝效果好；結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用分級(jí)燃燒；采用自動(dòng)化控制取代人工控制，大幅度降低中控操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，將操作人員從日常繁雜的簡(jiǎn)單操作中解放出來(lái)，從“操作員”的層面轉(zhuǎn)化為“監(jiān)督者/優(yōu)化者”的角色。對(duì)水泥企業(yè)而言，這意味著熱工制度的穩(wěn)定，進(jìn)一步意味著資源和能源浪費(fèi)減少、產(chǎn)品質(zhì)量提高和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率提高。

在窯尾煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用上建議關(guān)注原燃料中氮的含量，氨水噴槍布置上需根據(jù)自身預(yù)熱器特征和實(shí)際燃燒情況，合理優(yōu)化布置噴槍位置數(shù)量，不能一味按照常規(guī)位置布置。