水泥爐窯SNCR脫硝工藝技術探討和應用

鄭裕忠，鄭東山，邱江波

1 水泥爐窯脫硝項目實施背景

目前，水泥行業執行的《水泥工業大氣污染物排放標準》要求NOx排放限值為800mg/m3（標）；2012年11月6日，國家環保部關于征求意見函《水泥工業大氣污染物排放標準》（環辦函[2012]1270號）要求現有水泥企業自2015年1月1日起，NOx排放限值為450mg/（標）m3；《國務院關于印發節能減排“十二五”規劃的通知》（國發（2012）40號）要求2015年水泥行業NOX排放量控制在150萬噸，淘汰水泥落后產能3.7億噸，推廣新型干法水泥生產線，普及純低溫余熱發電技術，水泥行業實施新型干法窯降氮脫硝，新建、改擴建水泥生產線綜合脫硝效率不低于60%。我公司2500t/d熟料生產線于2003年7月建成投運，當時工藝設計未采用先進的低氮燃燒技術，預熱器采用分級燃燒技術，窯尾NOx正常排放濃度在500～650mg/m3（標）之間。為了達到即將出臺的新《水泥工業大氣污染物排放標準》的要求，響應國家節能減排“十二五”規劃目標要求，我公司決定率先開展水泥SNCR煙氣脫硝試點工作。

作為浙江省第一家水泥SNCR脫硝試點企業，我公司于2011年8月啟動脫硝工程改造項目。經過充分的前期技術調研及論證，最終采用浙江省環境科學研究院SNCR脫硝工藝。該項目于2012年7月完成了2500t/d熟料生產線的脫硝項目建設，順利通過調試及168h試運行階段，并通過了安全、環保“三同時”竣工驗收。

2 水泥爐窯SNCR脫硝工藝簡介

2.1 工藝流程

將濃度20%～25%的工業氨水和稀釋水混合，根據窯尾煙囪在線CEMS系統反饋的NOx濃度和氨逃逸濃度來調整氨水和稀釋水的比例，將混合后的氨水噴入分解窯與旋風預熱器之間的U型煙道，實現脫硝反應。

2.2 工藝原理

SNCR（選擇性非催化還原）技術是用氨水為還原劑噴入預熱器煙道內與NOx進行選擇性反應。該反應無需催化劑，因此必須在高溫區噴入氨水。氨水噴入溫度在850～950℃之間的煙道內，還原劑中的NH3與煙氣中的NOx反應生成N2。

SNCR反應方程如下：

水泥爐窯尾煙氣中氮氧化物主要為NO占90%以上，NO與還原劑氨水以式（1）為主要反應。

2.3 系統組成

SNCR煙氣脫硝工藝系統主要由氨水卸氨、儲存、輸送模塊、軟水儲存、輸送模塊、PU模塊、噴氨模塊、CEMS系統、電儀及DCS控制系統等組成，主要設備以進口為主，進口設備采購費用440多萬元。工藝流程見圖1。

（1）氨水卸氨、儲存、輸送模塊

通過氨水槽車將氨水由外界運輸到氨區，通過氨水卸氨模塊送入氨水儲罐。儲罐內的氨水經過氨水輸送模塊的氨水輸送離心泵送至高位平臺上的PU模塊。

該模塊的主要設備配置：

氨水儲罐1只，為非標設計的不銹鋼儲罐，設計容積為40m3，配有呼吸閥和液位變送器、壓力變送器。

氨水輸送離心泵一臺，采用不銹鋼材料制造，將氨水輸送至PU模塊。

（2）軟水輸送模塊

軟水來自公司余熱鍋爐所用的去離子水或除鹽水，接入軟水水箱，再由軟水輸送模塊將軟水加壓輸送至PU模塊。

圖1 SNCR工藝流程圖

該模塊的主要設備配置：

軟水輸送泵1臺，采用不銹鋼多級離心泵，自帶水箱，成套配置有硬度檢測儀、液位連鎖保護等。電氣控制柜1只，采用不銹鋼支架支撐。

（3）PU模塊、噴氨模塊

PU模塊根據CEMS系統反饋的NOx濃度自動調節氨水供給量，過量的氨水和軟水回流至各自儲罐；PU模塊實現還原劑的計量分配功能，對應噴氨模塊，噴氨模塊由6只噴射器組成，噴射器為雙流體噴槍，通過金屬軟管與氨水和壓縮空氣相連。

該模塊的主要設備配置：

（4）CEMS系統

NOx、氨逃逸監測儀表布置在水泥爐窯尾煙囪平臺上，NOx監測儀表采用西門子儀表，氨逃逸監測儀表采用ABB儀表，同時，將監測信號引入DCS，實現實時在線監測。

（5）電儀及控制系統

主要電氣設備均采用遠程DCS控制、操作、調節，主要液位、壓力、流量、氨逃逸濃度、NOx濃度等數據均引入DCS。

本工程SNCR脫硝控制系統為全自動控制、管理、協調和監控所有工藝，布置在熟料中控室內。DCS操作員可以與脫硝系統PLC站點進行通信，接收來自PLC站的所有設備信號，并能精確計算還原劑注入量。正常運行是通過集中控制系統實現自控，在正常運行模式下，該系統不需要人工控制。

3 SNCR脫硝系統實際運行情況分析

3.1 系統連續投運效果分析

為考察脫硝裝置可靠性、裝置對目標NOx控制濃度的響應值，公司決定連續投運脫硝裝置，并考察增加氨水投加量后的脫硝效果和氨逃逸的影響，如圖2所示。

從圖2可以看到，水泥爐窯初始NOx濃度約為520mg/m3（標），脫硝裝置投入運行后，當脫硝后NOx目標值為不大于300mg/m3（標）時，系統投入自動運行，系統自動調節氨水耗量約為350L/h，氨逃逸可以控制在1～2mg/m3（標）；在第33h時，將脫硝后NOx目標值調整為200mg/m3（標），脫硝系統自動調節氨水噴射量約為430L/h，氨逃逸有所上升，最大為4.02mg/m3（標），根據工況略有波動。

3.2 不同氨水噴入量條件下的NOx排放濃度和氨逃逸濃度

為考察還原劑耗量對脫硝效果（目標NOx排放濃度）可達性和氨逃逸的影響，將系統調節至手動模式，改變噴入氨水的耗量，不同氨水噴入量下NOx排放濃度和氨逃逸濃度見圖3。

基于圖像處理技術CTOD試驗裝置的研制………………………………………………………王炳英，侯振波，徐圣朋（3.19）

圖2 SNCR運行時氨水加入量和出口NOx值

圖3 不同氨水噴入量的NOx排放濃度和氨逃逸濃度關系

圖4 不同目標NOx排放濃度對應的氨氮摩爾比

圖5 噴氨試驗時的分解爐溫度和熟料產量

從圖3可以看到，初始NOx約為550mg/m3（標），隨著氨水噴入量的增加，出口NOx濃度線性下降，氨水噴入量約為320L/h時，脫硝后的NOx可以控制在300mg/m3（標）以下，脫硝效率為45.5%，氨逃逸約1mg/m3（標），說明噴入的氨水都參與了反應。調整氨水噴射量至480L/h時，脫硝后的NOx可以控制在200mg/m3（標）以下，脫硝效率為63.6%，氨逃逸可控制在2mg/m3（標）以下。若繼續增加氨水噴入量，出口NOx濃度可以進一步降低，但是NH3逃逸濃度呈指數增加，說明進一步增加氨水噴入量，氨水利用率會降低，部分未參與反應的NH3隨煙氣直接排出。

3.3 不同目標NOx排放濃度對應的NSR

上述運行工況由于噴入氨水量不同，煙氣成分相對穩定，初始煙氣量 256000m3（標）/h，初始 NOx濃度550mg/m3（標），NSR不同時對應的NOx排放濃度變化情況見圖4。

從圖4中可以看到，隨著NSR的增加，出口NOx濃度起初呈下降趨勢，曲線斜率呈下降趨勢，說明若要將出口NOx濃度控制在較低的水平，氨水投加量比目標控制值時的投加量要增加許多，而不是單純的線性關系，即不同的目標值對應的NSR不同。要保證脫硝系統出口NOx濃度不超過300mg/m3（標），需保證系統NSR≥1.0；若要將目標 NOx控制在200mg/m3（標）時，需保證系統NSR≥1.8。

另外，從圖4中還可以看到，若要將NOx排放濃度目標控制在300mg/m3（標），氨水投加量約為300L/h，若要將NOx排放濃度目標控制在200mg/m3（標），氨水投加量約為480L/h。

3.4 脫硝裝置的投運對水泥生產工藝及二氧化硫排放的影響

為考察SNCR系統投運后對水泥熟料產量的影響，我公司收集了脫硝裝置投運前后分解窯溫度、水泥爐窯熟料產量的運行參數，見圖5。

從圖5中可以看到，脫硝系統投運前后，水泥爐窯熟料的產量基本維持在2860t/d。脫硝系統投運前，分解窯的溫度為860℃，投運后由于脫硝反應為放熱反應，溫度略有上升，在870℃左右波動，停止噴氨后又維持在860℃左右。

表1 噴氨試驗時的生產數據

圖6 SNCR脫硝氨區

目前，我公司所使用的煤是由南方水泥浙江大區統一采購的直供煤，平均含硫量在0.78%左右。根據在線監控系統CEMS系統反饋的SO2排放濃度看，脫硝系統投運后，SO2排放濃度比較穩定，一般在20mg/m3左右。

SNCR脫硝系統的投運對窯工藝系統、產品質量、其他污染物排放的影響可以忽略不計。

3.5 系統運行的主要參數

在正常工況下，系統連續運行時主要參數平均值見表1。

從表1中可以看到，氮氧化物初始濃度在550mg/m3左右，經脫硝系統處理后，氮氧化物排放濃度在200 mg/m3左右時，此時脫硝效率＞60%，氨逃逸＜2mg/m3（標）。

4 結語

綜上所述，我公司2500t/d水泥爐窯SNCR脫硝系統，可以根據NOx排放初始濃度的大小，通過調節氨水的噴入量，將NOx排放濃度控制在250～300mg/m3之間。在此工況下，可獲得較低的氨逃逸率，氨水利用率相對較高，總體運行成本最經濟。據初步計算，經該系統處理后，年NOx排放量可減少約1080t，具有良好的社會效益。

實踐證明，SNCR煙氣脫硝技術工藝適用于我國水泥窯爐煙氣特征的脫硝爐處理，為同類型的水泥爐窯實施脫硝改造積累了經驗，值得國內水泥企業參考。通過整套系統實際運行情況，結合水泥行業的現狀，提出以下兩點建議：

（1）目前SNCR脫硝系統的主要設備以進口為主，費用較高，建議該系統的主要設備盡可能國產化，以降低系統建設的投資費用。

（2）建議國家或相關機構盡快出臺相關扶持政策或NOx排放濃度新標準，以確保市場經濟競爭的公平性。