智能高效脫硝系統在水泥生產上的應用

潘偉東，張繼雄

為了改善空氣質量，減少大氣污染物排放，國內多省市出臺了超低排放實施計劃，要求氮氧化物排放限值為100mg/m3（標），個別地區甚至要求在50mg/m3（標）以下。我公司5 000t/d水泥熟料生產線一直使用傳統的SNCR脫硝系統，NOx排放濃度控制在200mg/m3（標）以下，系統運行良好。2018年我公司所在地綿陽市下發了《關于全市水泥生產企業開展超低排放改造工作的通知》，要求水泥窯廢氣顆粒物排放濃度＜10mg/m3（標），二氧化硫排放濃度＜50mg/m3（標），氮氧化物排放濃度＜150mg/m3（標）。結合環保要求和生產線運行情況，公司計劃將氮氧化物排放濃度控制到100mgm3（標）以下，原SNCR脫硝系統很難達到此排放要求，且氨水用量非常大，公司決定對脫硝系統實施超低排放改造。

1 改造方案選擇

目前，主流的脫硝方法有選擇性非催化還原脫硝（SNCR）、選擇性催化還原脫硝（SCR）、生物質脫硝、分級燃燒等。這幾種方法中，以SNCR脫硝方法最為穩定，改造和運行成本相對較低，適合水泥窯脫硝。但由于傳統的SNCR脫硝方法合理脫硝率為60%～70%，超過該脫硝率，氨水用量會急劇上升，同時帶來嚴重的氨逃逸問題，導致設備腐蝕。

SNCR脫硝效率受反應區溫度、粉塵濃度、噴射區截面積、煙氣含氧量、煙氣流速、氣流擾動以及氮氧化物的原始濃度等多方面因素影響。由于水泥窯系統工況非常復雜，工藝波動為常態，系統所產生的NOx濃度會隨著工藝的波動而波動，導致最適合SNCR脫硝的反應區域也隨著工藝的波動而變動。傳統SNCR脫硝系統只能在固定的橫截面噴入氨水，并且只能設定固定的氨水用量，不能隨水泥窯系統的工況變化而變化，脫硝效率非常低。

經過反復論證，在眾多改造方案當中，公司選擇了上海萬澄提出的HeSNCR智能精準脫硝方案。

HeSNCR脫硝系統的噴槍在分解爐上分層布置，每一層有相應的自動控制閥門以控制氨水流量和霧化空氣壓力。該脫硝系統的核心是智能控制軟件，能利用人工智能軟件強大的數據處理功能，通過分析水泥窯系統的各操作參數，實時跟蹤窯況變化，準確判斷氨水需用量，判斷脫硝效率最高的位置等，并且精確控制每組噴槍，在最合適的噴入點噴進最適量的氨水，實現最高的脫硝效率。高效SNCR系統設計見圖1。該系統還可以對NOx和氨逃逸進行雙目標控制，在達到最大的NOx脫除率的同時，有效控制氨逃逸。

圖1 高效SNCR系統設計

2 運行分析

HeSNCR脫硝系統超低排放改造在2019年1月停窯檢修期間進行，2月開始調試，3月中旬開始正常運行。

我公司水泥窯系統沒有采用分級燃燒，氮氧化物原始濃度為500～600mg/m3（標），原用SNCR系統長期控制指標為200mg/m3（標），NOx排放濃度波動比較大，有時甚至會出現±50mg/m3（標）的波動。

表1 脫硝系統運行統計表

使用HeSNCR脫硝系統正常運行后，NOx長期排放濃度按照100mg/m3（標）控制。3月中旬進行了兩天NOx50mg/m3（標）排放指標的測試，平均NOx排放偏低。4月份和5月份的運行數據比較正常，NOx平均排放濃度均在98mg/m3（標）左右，能將NOx排放濃度穩定控制在100mg/m3（標）以下。使用HeSNCR脫硝系統實現NOX100mg/m3（標）排放指標，所需的總氨水用量和熟料氨水單耗并不比使用原脫硝系統控制指標在200mg/m3（標）時多，具體數據見表1。

3月10日～11日，我公司按照日均50mg/m3（標）氮氧化物排放指標對系統進行了測試。其數據見表2。

將NOx排放濃度控制在50mg/m3（標）時，氨水用量為3.74L/t熟料，但氨水用量波動非常大，有時即使加大氨水用量，NOx的小時均值也并不能控制在50mg/m3（標）以下。經專家分析，利用氨水還原氮氧化物需要有氧氣參與反應，在SNCR系統合適的溫度窗口區域內必須有充足的氧氣，而我公司水泥持續高產，高溫風機已達極限，分解爐內氧含量不足，影響了SNCR的脫硝效率，尤其是在NOx排放濃度控制非常低時，氧含量會更加不足。分解爐內氧含量可以用C1的一氧化碳濃度作參考，以消除用C1氧氣濃度作參考時因漏風引起的干擾。測試結果表明，若采用HeSNCR技術將NOx控制在50mg/m3（標）以下，C1的一氧化碳濃度應控制在0.1%以下。

表2 NOx控制在50 mg/m3（標）時的數據

3 結論

（1）利用HeSNCR智能精準脫硝系統，能將NOx排放濃度準確控制在100mg/m3（標）以下，氨水用量比原系統NOX排放濃度200mg/m3（標）時低。

（2）利用HeSNCR智能精準脫硝系統，NOx排放濃度可控制在50mg/m3（標）以下，但受分解爐內氧氣含量影響非常大，需調整工藝操作，如加大高溫風機拉風或減產，并且減少煤粉秤沖煤現象，以控制C1的CO濃度＜0.1%。同時，有研究表明，控制C1的CO濃度也有利于減少熟料熱耗。