燃燒無煙煤水泥熟料生產線高效SNCR應用實例

桑圣歡，閆偉，羅超，吳濤，胡正夏

1 前言

2021年11月，工信部印發了《“十四五”工業綠色發展規劃》，要求逐步實施水泥行業超低排放改造，實施水泥行業脫硫、脫硝、除塵超低排放。在生態環境部發布的《重污染天氣重點行業應急減排措施指定技術指南（2020年修訂版）》中也明確要求，環境評級A 級企業必須達到超低排放標準，即：粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放量分別≯10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。水泥行業是NOX第三大排放源，升級環保技術、優化生產流程、降低NOX排放，是水泥企業可持續發展的必經之路。

目前，SNCR 脫硝技術是水泥行業較為成熟且經濟的煙氣脫硝技術，SNCR 脫硝技術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熱器溫度為850℃～1 100℃的區域，與氮氧化物發生還原反應，生成氮氣和水，以脫除NOX，目前選用最多的還原劑是氨水。SNCR脫硝反應效率及氨水利用率受反應溫度、粉塵濃度、煙氣成分、氨水停留時間、氨水噴槍位置及型式等因素的影響。SNCR脫硝技術具有投資少、運行費用低、建設周期短等優點，但同時也存在氨逃逸二次污染及與二氧化硫反應生成硫酸鹽造成設備腐蝕等缺陷。

傳統的SNCR 技術脫硝效率僅約60%[1]，脫硝效率較低，將會直接增加氨的逃逸量，對下游風機、管道、袋收塵器等設備造成嚴重腐蝕。高效SNCR脫硝技術作為傳統SNCR脫硝技術的升級，實施后脫硝效率可達75%以上。

2 高效SNCR 脫硝系統設計

T 水泥廠有一條5 000t/d 水泥熟料生產線，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，應用高效SNCR 脫硝技術后，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75%以上。T 水泥廠高效SNCR 脫硝系統工藝流程如圖1所示。

圖1 T水泥廠高效SNCR脫硝系統工藝流程

2.1 應用新型氨水噴射器，加速氨水與NOX 的混合

鑒于分解爐燃燒過程的動態特性，分解爐爐膛溫度在短時間內會迅速變化，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），以保證在適當的溫度處噴入脫硝反應劑。

應用新型氨水噴射器，使用壓縮空氣（可達0.55MPa）作為霧化介質，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，動態調控燒成系統不同溫度區間的噴氨量

建立智能控制模型，準確判斷燒成系統不同工況下的溫度區間分布，依托智能控制系統控制閥組，動態調控不同溫度區間的噴氨量，合理分配不同位置噴槍的氨水噴射量，使處于最佳反應溫度區間的噴槍高效運行，降低氨水用量，實現節能降耗。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

SNCR 車間內設有2 個40m3的氨水臥式儲罐，氨水質量濃度為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噴槍，最終噴入分解爐和預熱器進行脫硝。高效SNCR 脫硝系統噴槍安裝位置及噴射點位置見表1，共18個噴射點可供選擇。經現場調試，最終確定了8個最佳噴射點。

表1 高效SNCR 脫硝系統噴槍安裝位置及噴射點位置

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。通過以上測試數據計算每層噴槍的脫硝效果。不同層噴槍脫硝效果測試數據如表2所示。

表2 不同層噴槍脫硝效果測試數據

由測試結果計算可知，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，測試結果與李強等[2]研究結果一致。經收塵后的C6 旋風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，同時在C6處氨水與煙氣的混合時間＞1.5s，分解爐和鵝頸管處氨水和煙氣的反應混合時間約1s，C6處SNCR脫硝效率最高。

2.3.2 確定噴槍脫硝最佳噴射點

在氨水用量相等、產量穩定的條件下測試噴槍最佳噴射點。保證8支噴槍流量均分，通過智能軟件關閉單支噴槍，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；同時開啟C6進出口噴槍，對C6進、出口噴槍性能進行測試。測試過程中，氨水總用量保持1 200L/h 不變，氨逃逸＜10mg/Nm3@（10%O2），脫硝最佳噴射點測試數據見表3。

表3 脫硝最佳噴射點測試數據

由表3數據可知，以等量噴氨水及單位氨水脫除的NOX總量為判別依據，各層中CUA1、CUB1、CDA1、CDB2、CDB3、CDB4、C6A3、C6B3 噴射點脫硝效果相對較好，為各層最佳噴射點。

3 燃燒無煙煤與燃燒煙煤的脫硝效率對比

燃燒無煙煤的水泥熟料生產線，傳統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，這與無煙煤揮發分低、脫硝效果差有直接關系。

歐陽子區[3]研究表明，熱生料中CaO對N2的生成有強烈的促進作用，Ca促進燃料中N在煤焦表面發生分解和還原反應，從而導致燃料中N 向N2轉化的轉化率提高；CaO 與芳香結構中的N 原子結合，生成CaCxCy形式的中間態化合物，這種中間態化合物再分解析出N2和CaCz；Ca 對燃燒低階煙煤NOX的減排有明顯的促進作用，當煤種為無煙煤時，Ca對NOX減排基本沒有影響；煙煤在預熱過程中，Ca對煤中N向N2轉化的促進作用更明顯，煙煤中富含-COOH基團，這種基團使Fe和Ca等礦物質在煙煤中能以離子交換狀態存在，這種處于離子交換狀態的金屬物質是催化熱解過程中燃料N 向N2轉化的必要條件；而對于高階無煙煤，Ca離子主要附著在顆粒表面，預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的反應惰性也是導致Ca對燃料N向N2轉化影響較小的原因之一，這也是燃燒無煙煤的熟料生產線NOX初始濃度較高的原因之一。

T 水泥廠高效SNCR 脫硝效果相對較差，這與燃燒無煙煤的水泥熟料生產線氨水噴射區域CO濃度偏高有關，在調試過程中發現，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；高溫煙氣中生成的OH 自由基可以促進生成NH2，NH2與NOX反應生成N2，但同時OH 自由基也可將CO 氧化為CO2，CO 氧化過程和脫硝還原反應存在競爭反應，這是CO 濃度影響SNCR 脫硝效率的本質原因。呂洪坤[4]等人的研究表明，當氨氮比為1.5、氧含量4%時，在不同CO 與還原劑含量比值下，經處理后反應器出口CO濃度增加，最佳脫硝反應溫度持續向低溫方向移動，同時最佳脫硝反應溫度下的最大脫硝效率呈下降趨勢。每一個給定的CO 含量，都有一個使出口NOX排放最低的反應溫度，即最佳反應溫度。CO 濃度約1 000ppm 時，SNCR 最佳反應溫度降低約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線高效SNCR 脫硝效率低于燃燒煙煤的水泥熟料生產線的原因。

4 結語

通過在分解爐爐膛不同高度設置新型氨水噴射器，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，動態調整不同溫度區間的噴氨量，降低噴氨總量；測試不同層噴槍脫硝效果，確定C6進出口噴槍脫硝為最佳噴射點等，T水泥廠高效SNCR 脫硝效率可達75%。受制于無煙煤揮發分低、自脫硝效果差，若T 水泥廠將燃燒無煙煤調整為燃燒煙煤，則脫硝效率可進一步提升。