桑圣歡，閆偉，羅超，吳濤，胡正夏

1 前言

2021年11月，工信部印發(fā)了《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》，要求逐步實(shí)施水泥行業(yè)超低排放改造，實(shí)施水泥行業(yè)脫硫、脫硝、除塵超低排放。在生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《重污染天氣重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)急減排措施指定技術(shù)指南（2020年修訂版）》中也明確要求，環(huán)境評(píng)級(jí)A 級(jí)企業(yè)必須達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，即：粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放量分別≯10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。水泥行業(yè)是NOX第三大排放源，升級(jí)環(huán)保技術(shù)、優(yōu)化生產(chǎn)流程、降低NOX排放，是水泥企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

目前，SNCR 脫硝技術(shù)是水泥行業(yè)較為成熟且經(jīng)濟(jì)的煙氣脫硝技術(shù)，SNCR 脫硝技術(shù)是在沒有催化劑的情況下，將氨基的還原劑噴入到分解爐和預(yù)熱器溫度為850℃～1 100℃的區(qū)域，與氮氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?，以脫除NOX，目前選用最多的還原劑是氨水。SNCR脫硝反應(yīng)效率及氨水利用率受反應(yīng)溫度、粉塵濃度、煙氣成分、氨水停留時(shí)間、氨水噴槍位置及型式等因素的影響。SNCR脫硝技術(shù)具有投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在氨逃逸二次污染及與二氧化硫反應(yīng)生成硫酸鹽造成設(shè)備腐蝕等缺陷。

傳統(tǒng)的SNCR 技術(shù)脫硝效率僅約60%[1]，脫硝效率較低，將會(huì)直接增加氨的逃逸量，對(duì)下游風(fēng)機(jī)、管道、袋收塵器等設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕。高效SNCR脫硝技術(shù)作為傳統(tǒng)SNCR脫硝技術(shù)的升級(jí)，實(shí)施后脫硝效率可達(dá)75%以上。

2 高效SNCR 脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

T 水泥廠有一條5 000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線，投料量350t/h，100%燃用無煙煤，NOX初始排放濃度約900mg/Nm3，分解爐出口CO濃度較高，應(yīng)用高效SNCR 脫硝技術(shù)后，以較低的還原劑使用成本，獲得較高的NOX還原效率，脫硝效率可達(dá)75%以上。T 水泥廠高效SNCR 脫硝系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 T水泥廠高效SNCR脫硝系統(tǒng)工藝流程

2.1 應(yīng)用新型氨水噴射器，加速氨水與NOX 的混合

鑒于分解爐燃燒過程的動(dòng)態(tài)特性，分解爐爐膛溫度在短時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速變化，為保證脫硝效果，須在爐膛的不同高度處安裝新型氨水噴射器（亦稱為噴槍），以保證在適當(dāng)?shù)臏囟忍巼娙朊撓醴磻?yīng)劑。

應(yīng)用新型氨水噴射器，使用壓縮空氣（可達(dá)0.55MPa）作為霧化介質(zhì)，將氨水噴入煙氣中，形成的氨水霧滴具有合理的液滴尺寸、分布和穿透性，有效促進(jìn)了氨水與煙氣中NOX的接觸和混合。

2.2 建立智能控制模型，動(dòng)態(tài)調(diào)控?zé)上到y(tǒng)不同溫度區(qū)間的噴氨量

建立智能控制模型，準(zhǔn)確判斷燒成系統(tǒng)不同工況下的溫度區(qū)間分布，依托智能控制系統(tǒng)控制閥組，動(dòng)態(tài)調(diào)控不同溫度區(qū)間的噴氨量，合理分配不同位置噴槍的氨水噴射量，使處于最佳反應(yīng)溫度區(qū)間的噴槍高效運(yùn)行，降低氨水用量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。高效SNCR智能控制模型及中控畫面如圖2所示。

圖2 高效SNCR智能控制模型及中控畫面

2.3 測試噴槍脫硝效果，確定最佳噴射點(diǎn)

SNCR 車間內(nèi)設(shè)有2 個(gè)40m3的氨水臥式儲(chǔ)罐，氨水質(zhì)量濃度為20%，由加壓泵站（1 用1 備）輸送氨水至氨水流量分配閥組，再由分配閥組將壓縮空氣和氨水配送至各個(gè)噴槍，最終噴入分解爐和預(yù)熱器進(jìn)行脫硝。高效SNCR 脫硝系統(tǒng)噴槍安裝位置及噴射點(diǎn)位置見表1，共18個(gè)噴射點(diǎn)可供選擇。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，最終確定了8個(gè)最佳噴射點(diǎn)。

表1 高效SNCR 脫硝系統(tǒng)噴槍安裝位置及噴射點(diǎn)位置

2.3.1 測試不同層噴槍脫硝效果

測試脫硝前以及分解爐出口、鵝頸管頂部、鵝頸管中部、C6 出口等部位使用氨水噴槍后的NOX濃度，溫度區(qū)間為850℃～880℃，氨水總噴射量1 200L/h，每層氨水噴射量相同，共測試兩次，測試過程中，氨逃逸≤10mg/Nm3@（10%O2）。脫硝前NOX濃度分別為848.1mg/Nm3、935.89mg/Nm3；分解爐出口氨水噴槍脫硝后NOX分別為750.59mg/Nm3、860.36mg/Nm3；鵝頸管頂部氨水噴槍脫硝后NOX分別為600.12mg/Nm3、640.32mg/Nm3；鵝頸管中部氨水噴槍脫硝后NOX分別為370mg/Nm3、388mg/Nm3；C6 出口氨水噴槍脫硝后NOX分別為214mg/Nm3、225mg/Nm3。通過以上測試數(shù)據(jù)計(jì)算每層噴槍的脫硝效果。不同層噴槍脫硝效果測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同層噴槍脫硝效果測試數(shù)據(jù)

由測試結(jié)果計(jì)算可知，分解爐出口噴槍脫硝效果最差，脫硝效率僅為11.5%，C6 出口噴槍脫硝效果最好，脫硝效率約42%。上述測試基于脫硝階段沒有再生成NOX，測試結(jié)果與李強(qiáng)等[2]研究結(jié)果一致。經(jīng)收塵后的C6 旋風(fēng)筒本體粉塵濃度降低約90%，CO 濃度較分解爐、鵝頸管處大大降低，可以提高SNCR脫硝效率及氨水利用效率，同時(shí)在C6處氨水與煙氣的混合時(shí)間＞1.5s，分解爐和鵝頸管處氨水和煙氣的反應(yīng)混合時(shí)間約1s，C6處SNCR脫硝效率最高。

2.3.2 確定噴槍脫硝最佳噴射點(diǎn)

在氨水用量相等、產(chǎn)量穩(wěn)定的條件下測試噴槍最佳噴射點(diǎn)。保證8支噴槍流量均分，通過智能軟件關(guān)閉單支噴槍，在分解爐出口、鵝頸管頂部、鵝頸管中部選取高效SNCR脫硝最佳噴射點(diǎn)；同時(shí)開啟C6進(jìn)出口噴槍，對(duì)C6進(jìn)、出口噴槍性能進(jìn)行測試。測試過程中，氨水總用量保持1 200L/h 不變，氨逃逸＜10mg/Nm3@（10%O2），脫硝最佳噴射點(diǎn)測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 脫硝最佳噴射點(diǎn)測試數(shù)據(jù)

由表3數(shù)據(jù)可知，以等量噴氨水及單位氨水脫除的NOX總量為判別依據(jù)，各層中CUA1、CUB1、CDA1、CDB2、CDB3、CDB4、C6A3、C6B3 噴射點(diǎn)脫硝效果相對(duì)較好，為各層最佳噴射點(diǎn)。

3 燃燒無煙煤與燃燒煙煤的脫硝效率對(duì)比

燃燒無煙煤的水泥熟料生產(chǎn)線，傳統(tǒng)SNCR 脫硝效率僅為60%，高效SNCR 脫硝效率約75%，而燃燒煙煤的水泥熟料生產(chǎn)線，高效SNCR脫硝效率＞80%。燃燒無煙煤的水泥廠NOX初始濃度約900mg/Nm3，而目前燃燒煙煤的水泥廠NOX初始濃度僅為500～600mg/Nm3，這與無煙煤揮發(fā)分低、脫硝效果差有直接關(guān)系。

歐陽子區(qū)[3]研究表明，熱生料中CaO對(duì)N2的生成有強(qiáng)烈的促進(jìn)作用，Ca促進(jìn)燃料中N在煤焦表面發(fā)生分解和還原反應(yīng)，從而導(dǎo)致燃料中N 向N2轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率提高；CaO 與芳香結(jié)構(gòu)中的N 原子結(jié)合，生成CaCxCy形式的中間態(tài)化合物，這種中間態(tài)化合物再分解析出N2和CaCz；Ca 對(duì)燃燒低階煙煤NOX的減排有明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)煤種為無煙煤時(shí)，Ca對(duì)NOX減排基本沒有影響；煙煤在預(yù)熱過程中，Ca對(duì)煤中N向N2轉(zhuǎn)化的促進(jìn)作用更明顯，煙煤中富含-COOH基團(tuán)，這種基團(tuán)使Fe和Ca等礦物質(zhì)在煙煤中能以離子交換狀態(tài)存在，這種處于離子交換狀態(tài)的金屬物質(zhì)是催化熱解過程中燃料N 向N2轉(zhuǎn)化的必要條件；而對(duì)于高階無煙煤，Ca離子主要附著在顆粒表面，預(yù)熱過程中以較大尺寸顆粒形式存在，在煤中的分布均勻性較差，變遷特性也不如細(xì)顆粒；再者，無煙煤中碳和N的活性較煙煤差，無煙煤中燃料N的反應(yīng)惰性也是導(dǎo)致Ca對(duì)燃料N向N2轉(zhuǎn)化影響較小的原因之一，這也是燃燒無煙煤的熟料生產(chǎn)線NOX初始濃度較高的原因之一。

T 水泥廠高效SNCR 脫硝效果相對(duì)較差，這與燃燒無煙煤的水泥熟料生產(chǎn)線氨水噴射區(qū)域CO濃度偏高有關(guān)，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，燃燒無煙煤的T 水泥廠分解爐出口CO 濃度約1 000ppm，而燃燒煙煤的水泥廠分解爐出口CO濃度僅約200ppm；高溫?zé)煔庵猩傻腛H 自由基可以促進(jìn)生成NH2，NH2與NOX反應(yīng)生成N2，但同時(shí)OH 自由基也可將CO 氧化為CO2，CO 氧化過程和脫硝還原反應(yīng)存在競爭反應(yīng)，這是CO 濃度影響SNCR 脫硝效率的本質(zhì)原因。呂洪坤[4]等人的研究表明，當(dāng)氨氮比為1.5、氧含量4%時(shí)，在不同CO 與還原劑含量比值下，經(jīng)處理后反應(yīng)器出口CO濃度增加，最佳脫硝反應(yīng)溫度持續(xù)向低溫方向移動(dòng)，同時(shí)最佳脫硝反應(yīng)溫度下的最大脫硝效率呈下降趨勢。每一個(gè)給定的CO 含量，都有一個(gè)使出口NOX排放最低的反應(yīng)溫度，即最佳反應(yīng)溫度。CO 濃度約1 000ppm 時(shí)，SNCR 最佳反應(yīng)溫度降低約75℃，CO 濃度的增加，降低了SNCR脫硝效率，這也是燃燒無煙煤的水泥熟料生產(chǎn)線高效SNCR 脫硝效率低于燃燒煙煤的水泥熟料生產(chǎn)線的原因。

4 結(jié)語

通過在分解爐爐膛不同高度設(shè)置新型氨水噴射器，將氨水霧滴噴入煙氣，加速氨水與NOX的混合；建立智能控制模型，動(dòng)態(tài)調(diào)整不同溫度區(qū)間的噴氨量，降低噴氨總量；測試不同層噴槍脫硝效果，確定C6進(jìn)出口噴槍脫硝為最佳噴射點(diǎn)等，T水泥廠高效SNCR 脫硝效率可達(dá)75%。受制于無煙煤揮發(fā)分低、自脫硝效果差，若T 水泥廠將燃燒無煙煤調(diào)整為燃燒煙煤，則脫硝效率可進(jìn)一步提升。