水泥窯煙氣SNCR脫硝技術噴射系統的關鍵問題研究

張飛虎

(山西亞美建筑工程材料有限責任公司，山西 陽泉 045000)

引 言

近年來，霧霾天氣的頻繁出現引起了人們對大氣環境問題的高度關注。研究表明，NOx是各類大氣污染物中危害極高的一類污染物，其不僅會引起霧霾、光化學煙霧、酸雨等環境問題，還會對人體和動物健康產生較大的影響。水泥作為基礎的建筑材料，其生產過程具有高消耗、高污染的特點，尤其是水泥行業的NOx排放隨著水泥需求量的增大而不斷增加，已成為火力發電和汽車尾氣之后的第三大排放源。現階段，SNCR(選擇性非催化還原)脫硝技術由于建設周期短，基建投資少，無需催化劑、成本控制低，消除了無水氨的貯藏、不需要很大的場地等特點，已成為已投入運行的比較成熟的煙氣脫硝技術[1]。本文以此為基礎，探討水泥窯煙氣SNCR脫硝技術噴射系統的關鍵問題，以促進水泥行業的可持續發展。

1 選擇性非催化還原(SNCR)脫硝法

1.1 SNCR降低NOx原理

1.2 SNCR工藝流程

在水泥工業生產中，SNCR技術將加入的還原劑通過噴射的方式噴入爐膛，迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOx反應生成N2和水。儲存罐的氨水或尿素經過過濾器后，通過添加泵進入流量調節閥和流量計，經計量后再進入噴嘴，霧化后噴入分解爐內。噴嘴位置在分解爐中部，其結構、位置和質量是氨水尿素添加設備的技術關鍵，因此需重點考慮[3]。

2 噴氨位置問題

選擇四個位置為代表，自上至下分別為上部柱體頂部、底部及中部柱體頂部、中部，同時選取分解爐X軸截面、Y軸截面及出口截面為代表截面，研究噴氨位置對分解爐內NO質量濃度分布及去除率的影響。氨水進口管為四個，均勻對稱分布在分解爐上，還原劑為20%的氨水，用量為0.017 kg/s，垂直進入爐膛。

2.1 不同噴氨位置分解爐內不同高度NO平均質量濃度

為了方便研究噴氨位置對分解爐內NO質量濃度分布的影響，以最終為噴氨位置提供參考與借鑒。現在分解爐Z軸方向每隔0.5 m選取一個斷面，并以分解爐高度為橫坐標，各斷面的NO平均質量濃度為縱坐標，繪制位置1、位置2、位置3和位置4四個位置分解爐內不同高度NO平均質量濃度曲線圖，如第178頁圖1所示。位置1、2、3、4分別為上部柱體頂部、底部及中部柱體頂部、中部。

由圖1可知，隨分解爐高度的增加，不同氨水進口位置(位置1、位置2、位置3、位置4)的爐內NO平均質量濃度整體皆呈現“先迅速降低，后迅速上升，

再持平，最后快速下降”的趨勢。其中，第一次降低是由于三次風加入的稀釋作用和焦炭的還原作用；迅速上升是由于煤粉燃燒產生燃料型NO；第二次降低是由于氨水進入分解爐，NO被還原。

2.2 不同噴氨位置分解爐出口NO質量濃度

為了進一步研究噴氨位置對分解爐內NO去除率的影響，以未噴氨(未進行SNCR脫硝)分解爐出口NO質量濃度作參照，計算不同氨水進口位置(位置1、位置2、位置3、位置4)的分解爐出口NO質量濃度。同時，計算不同氨水進口位置NO的去除率，如表1所示。由表1研究表明，噴氨位置在位置2時，NO去除率最高。因此，在進行水泥窯煙氣SNCR脫硝時，噴氨位置選定在上部柱體底部。

表1 不同噴氨位置分解爐出口NO質量濃度及去除率

3 噴氨角度問題

通過文獻研究及自身工作經驗，選擇六個噴氨角度為代表，分別為Z軸夾角15°、30°、45°、60°、75°、90°，同時選取分解爐X軸、Y軸截面及出口截面為代表截面，研究噴氨角度對分解爐內NO分布去除率的影響。氨水進口管為四個，均勻對稱分布在分解爐上部柱體底部，還原劑為20%的氨水，用量為0.017 kg/s。

3.1 不同噴氨角度分解爐內不同高度NO平均質量濃度

為了方便研究噴氨角度對分解爐內NO質量濃度分布的影響，以最終為噴氨角度提供參考與借鑒。在分解爐Z軸方向每隔0.5 m選取一個斷面，并以分解爐高度為橫坐標，各斷面NO平均質量濃度為縱坐標，繪制與Z軸夾角15°、30°、45°、60°、75°、90° 6個噴氨角度NO平均質量濃度變化曲線。通過對大量研究文獻的查閱，在此試驗中，以夾角變化最大的15°和90°為代表給出爐內的NO質量濃度變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同噴氨角度分解爐內不同高度NO平均質量濃度

由圖2可知，隨分解爐高度的增加，噴氨角度與Z軸夾角分別為15°和90°時，爐內NO平均質量濃度的整體變化趨勢及具體含量值基本趨于吻合一致，變化皆呈現歷“慢下降、快下降、快上升、基本不變、快下降、慢下降”的趨勢。與不同噴氨位置對分解爐內不同高度NO平均質量濃度的影響類似，其中，最初的“慢下降、快下降”是由于三次風加入的稀釋作用和焦炭的還原作用；“快上升”是由于煤粉燃燒產生燃料型NO；之后的“快下降、慢下降”是由于氨水進入分解爐，NO被還原。

3.2 不同噴氨分解爐出口NO質量濃度

為了進一步研究噴氨角度對分解爐內NO去除率的影響，以未噴氨(未進行SNCR脫硝)分解爐出口NO質量濃度作參照，計算不同噴氨角度(與Z軸夾角15°、30°、45°、60°、75°、90°)的分解爐出口NO質量濃度。同時，計算不同噴氨角度NO的去除率，如表2所示。由表2研究表明，噴氨角度對NO去除率影響甚小。

表2 不同噴氨角度分解爐出口NO質量濃度及去除率

4 氨水用量問題

上述討論了噴氨位置及噴氨角度對分解爐內NO的去除率產生影響，現選擇6個氨水用量為代表，氨水用量分別為0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s，同時選取分解爐X軸截面、Y軸截面及出口截面為代表截面，研究氨水用量對分解爐內NO質量濃度分布及去除率的影響。氨水進口管為四個，均勻對稱分布在分解爐上部柱體底部，還原劑為20%的氨水，垂直進入爐膛。

4.1 不同氨水用量分解爐內不同高度NO平均質量濃度

為了方便研究氨水用量對分解爐內NO質量濃度分布的影響，以最終為噴氨量提供參考與借鑒。現在分解爐Z軸方向每隔0.5 m選取一個斷面，并以分解爐高度為橫坐標，各斷面的NO平均質量濃度為縱坐標，繪制氨水用量分別為0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s 5個不同用量分解爐內不同高度NO平均質量濃度曲線。通過對大量研究文獻的查閱，在此試驗中，以用量0.015、0.018和0.020 kg/s為代表給出爐內的NO質量濃度變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同氨水用量分解爐內不同高度NO平均質量濃度

由圖3可知，隨分解爐高度的增加，0.015、0.018和0.020 kg/s三種氨水用量分解爐內NO質量濃度變化規律相似，變化皆呈現歷“慢下降、快下降、快上升、基本不變、快下降、慢下降”的趨勢。與不同噴氨位置、不同噴氨角度對分解爐內不同高度NO平均質量濃度的影響類似，其中，最初的“慢下降、快下降”是由于三次風加入的稀釋作用和焦炭的還原作用；“快上升”是由于煤粉燃燒產生燃料型NO；之后的“快下降、慢下降”是由于氨水進入分解爐，NO被還原，以及氨水經過一段時間后反應速率下降導致。

4.2 不同氨水用量分解爐出口NO質量濃度

為了進一步研究噴氨量對分解爐內NO去除率的影響，以未噴氨(未進行SNCR脫硝)分解爐出口NO質量濃度作參照，計算不同噴氨量(0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s)的分解爐出口NO質量濃度。同時，計算不同噴氨量NO的去除率，如表3所示。由表3研究表明，NO去除率隨著噴氨量的增加而變大。

表3 不同噴氨量分解爐出口NO質量濃度及去除率

5 結論

通過模擬試驗，研究了噴氨位置、噴氨角度及氨水用量對NO去除率的影響，結果顯示，除噴氨角度外，噴氨位置及氨水用量對分解爐出口截面NO質量濃度及脫硝效率影響較大，在進行水泥窯煙氣SNCR脫硝時，噴氨位置選定在上部柱體底部，且需噴射較為多量的氨水。