水泥窯氮氧化物超低排放的技術改造

邵磊

我公司有兩條水泥熟料生產線，一線設計產能為2 500t/d熟料、年產水泥80萬噸水泥，二線設計產能為4 000t/d熟料，兩條生產線均配備有純低溫余熱發電系統。其中，二線自2018年8月起，開展了水泥窯氮氧化物超低排放改造試驗，于2019年2月完成改造，2019年8月驗收通過。

穩定的系統工況對氮氧化物排放濃度的控制至關重要。改造前，二線氮氧化物排放濃度＜100mg/Nm3（以NO2計，指煙氣中O2含量10%狀態下的排放濃度及單位產品排放量，下文同）。經采取全系統智能化控制及精細化管理措施后，氮氧化物排放濃度達到了＜50mg/Nm3的改造目標。

1 改造方案

1.1 源頭控制，減少NOX的產生

水泥熟料的煅燒過程中會產生大量的NO和NO2，其中，NO約占90%以上，NO2僅占5%～10%。按生成方式，NOX可分為原料型、燃料型、快速型和熱力型，其中，熱力型NOX是主要來源。針對如何減少熱力型NOX的問題，分析形成如下解決方案：

（1）加強管理。結合原、燃料情況，進行詳細的化學和物理分析，嚴格各工序的質量管理，優化窯系統的操作參數，使窯系統長期處于穩定優化狀態，減少能源消耗，從而減少NOX的產生。

（2）加強工藝操作，控制燒成溫度。熱力型NOX的形成主要跟燒成溫度有關。實驗表明，溫度從1 550℃起到1 900℃，特別在1 750℃后，NOX的產生量幾乎是直線上升。因此，若要控制NOX的產生量，就必須將燒成溫度盡量控制在1 750℃以下，同時又要保證熟料的燒成質量。

（3）使用低氮燃燒器。采用大推力、低風量、混合好、火焰細而不長的燃燒器，通過“低氧、低氮、控高溫”的方式，減少NOX的生成。通過重新設計燃燒端部間隙及風道截面積，降低入窯一次風量，提高風速，提高煤粉完全燃燒率，降低系統煤耗，以減少NOX的產生。

1.2 末端治理，將NOX還原為無污染的N2

（1）采用分級燃燒技術，建立還原區，通過CO將NOX還原為N2，同時利用三次風，將CO轉化為CO2。公司分別于2013年及2017年將分解爐煤管由分解爐錐體下方移至煙室縮口上方，取得了不錯效果。2019年，繼續將分解爐用煤引一路至窯尾煙室，氨水用量下降0.20m3/h左右（需注意煙室煤量的比例，煤量過多會引起窯況變差，一般不宜超過窯尾總用煤量的50%）；將三次風管入分解爐位置抬高（約提高1.6m），增大了分解爐錐體還原區。改造位置見圖1，歷次改造效果見表1。

表1 歷次改造效果

圖1 改造位置

（2）采用SNCR技術，通過脫硝劑，如氨水等，在一定的條件下，與NOX反應生成N2。SNCR煙氣脫硝技術的關鍵在于氨水噴入點位置的選擇和氨水霧化的效果。合理的噴入點及良好的霧化效果，不僅可以保證氨水充分與煙氣中的NOX發生還原反應，還可以在保證脫硝效果的同時，使還原劑（氨水）的消耗量和氨逃逸更低。

1.3 全系統智能化過程控制

（1）使用生料配料智能控制。采用在線γ分析儀配料，1min檢測一個樣品，極大地穩定了入窯率值，為穩定窯系統煅燒制度提供了基礎，利于NOx的穩定控制。

（2）使用燒成智能專家控制系統。采用五個模塊分別對高溫風機、窯頭喂煤秤、窯尾喂煤秤、篦冷機、窯頭排風機進行智能控制，不斷優化控制過程中的關鍵參數，形成合理的煅燒制度，降低窯內NOX的產生總量，從源頭進行控制。

（3）使用脫硝智能專家控制系統。采用智能專家模塊控制氨水噴入量，實現精準、高效、穩定的氨水控制趨勢，如圖2所示。綠色曲線是氮氧化物瞬時值，紅色曲線是連續小時平均值。從圖2可見，手動控制連續小時平均值波動比較大，自動控制波動較小，同時，氨水用量較以前有所下降。

圖2 脫硝智能專家控制系統使用前后對比

1.4 全系統精細化操作控制

（1）加強原料及配料控制。結合自身原、燃料情況，加強質量控制，保證原燃料成分合格，嚴控有害成分含量。根據自身工藝條件，選擇合理的配料方案，保證生料率值在合理的范圍內，有利于熟料煅燒及合理控制NOX生成量。

（2）加強煤粉灰分、揮發分的控制。根據實際生產經驗，高灰分和低揮發分對分級燃燒效率有很大的影響。通過不斷實踐，我公司二線入窯煤粉控制范圍為：灰分16%～19%，揮發分27%～32%，分級燃燒效率達到最優。

（3）加強中控室精細化操作控制。依托于一級氣體分析、窯尾氣體分析儀及智能專家自動控制系統，通過精細化操作，控制窯內煅燒氣氛，減少熱力型NOX產生。穩定二次風溫（1 100℃以上）、三次風溫（950℃以上），降低系統煤耗，保證煤粉快速有效燃燒。控制窯尾煙室氧含量在2.0%～2.5%，控制C1出口氧含量＜3%，合理調配窯爐配風，減少系統整體用風。

2 改造效果

通過半年時間的運行，公司二線氮氧化物脫硝項目運行穩定，氮氧化物排放濃度＜50mg/m3，氨逃逸＜8mg/m3，并于2019年8月21日通過了超低排放驗收，達到了預期改造效果。氨水用量約0.85m3/h左右，熟料產量約5 600t/d，噸熟料氨水（濃度20%）消耗量為0.85÷0.92×24÷5 600=3.96kg。表2為2號生產線窯尾廢氣外排口（100%）氨逃逸檢測結果。

表2 2號生產線窯尾廢氣外排口（100%）氨逃逸檢測結果

3 結語

在普遍認為采用SNCR脫硝技術難以滿足氮氧化物排放濃度＜50mg/m3的要求時，我公司以“低氮燃燒器+分級燃燒+SNCR”為依托，通過智能化控制和精細化管理，從源頭減少了氮氧化物產生量，提高了脫硝效率，實現了節能降耗、減排增效。■