空氣分級(jí)+SNCR聯(lián)合脫硝工藝可望成為主流

　　目前，我國(guó)擁有水泥企業(yè)近3000 家，產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界首位。2012 年我國(guó)水泥總產(chǎn)量已突破20億噸，其中，新型干法水泥比重達(dá)到85%。來(lái)自國(guó)家發(fā)改委的數(shù)據(jù)顯示，截至2012 年年底，采用國(guó)內(nèi)技術(shù)和裝備建設(shè)的新型干法水泥生產(chǎn)線已達(dá)1400 多條，日產(chǎn)4000 噸、5000 噸水泥生產(chǎn)線占70%左右，總計(jì)1000多條生產(chǎn)線。

　　“十二五”時(shí)期，水泥行業(yè)是NOx減排的重點(diǎn)行業(yè)。2012年《水泥工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》指出，到2015年末，NOx排放總量降低10%，新建生產(chǎn)線必須配套建設(shè)效率不低于60%的煙氣脫硝裝置，二氧化硫排放總量降低8%等目標(biāo)。

　　為了配合國(guó)家降低水泥行業(yè)NOx排放總量的要求，部分省市出臺(tái)了水泥氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)和降低NOx排放的技術(shù)路徑。既要滿足新的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，又要降低后期運(yùn)行成本，選擇高效經(jīng)濟(jì)的脫硝方法對(duì)于水泥行業(yè)變得尤其重要。

　　主要脫硝技術(shù)介紹

　　目前適用于水泥窯的脫硝技術(shù)主要應(yīng)用于兩個(gè)方向：一個(gè)是減少水泥窯燃燒時(shí)NOx的生成—低氮燃燒技術(shù)，主要有：低空氣過(guò)量系數(shù)改造、窯頭燃燒器改造、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)技術(shù)；另一個(gè)是對(duì)水泥窯里生成的NOx進(jìn)行脫除，主要有：選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)。

　　1.低空氣過(guò)量系數(shù)改造

　　使燃燒過(guò)程盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行。隨著煙氣中過(guò)量氧的減少，可以抑制NOx 的生成。這是一種最簡(jiǎn)單的降低NOx排放的方法，NOx減排效率在10%左右。但如爐內(nèi)氧濃度過(guò)低，會(huì)造成濃度急劇增加，增加化學(xué)不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳量增加，燃燒效率下降。針對(duì)水泥窯頭燃燒的情況，此技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于優(yōu)化煤粉輸送用風(fēng)量和控制二次風(fēng)量，控制空氣過(guò)量系數(shù)在6%及以下。該技術(shù)所受影響因素較多，是系統(tǒng)的改造工程，需同時(shí)對(duì)煤管和二次風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行檢測(cè)和分析，并對(duì)窯頭諸多因素予以考慮，實(shí)施難度大。

　　2.低氮燃燒器

　　燃燒器是水泥窯燃燒系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。不但煤粉是通過(guò)燃燒器送入窯內(nèi)，而且煤粉燃燒所需的空氣也是通過(guò)燃燒器進(jìn)入窯內(nèi)的。從燃燒的角度看，燃燒器的性能對(duì)煤粉燃燒設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起著主要作用。從NOx的生成機(jī)理看，占NOx絕大部分的燃料型NOx是在煤粉的著火階段生成的，因此，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)以及通過(guò)改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)煤比例，應(yīng)用空氣分級(jí)、燃料分級(jí)脫硝技術(shù)原理，以盡可能地降低著火氧的濃度適當(dāng)穩(wěn)定著火區(qū)的溫度，達(dá)到最大限度地抑制NOx生成的目的。低氮燃燒器的關(guān)鍵控制點(diǎn)為低空氣過(guò)量系數(shù)，控制局部高溫和減少空氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，最大限度減少熱力型NOx生成。

　　3.空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

　　空氣分級(jí)燃燒的基本原理是將燃燒所需的空氣（三次風(fēng)）分成兩部分送入，一部分送入第一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)（分解爐錐部），使過(guò)剩空氣系數(shù)α在0.8左右，燃料先在缺氧富燃料的條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，燃燒生成的CO與NO進(jìn)行還原反應(yīng)。另一部分空氣輸入燃燒區(qū)內(nèi)（分解爐中部），保證燃燒的完全燃燒。

　　空氣分級(jí)技術(shù)在原未采用該技術(shù)的分解爐上可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行后期設(shè)計(jì)和改造，其改造成本低，施工難度小，對(duì)原有的燃燒制度影響小，能較快地建立新的燃燒制度。在分解爐低氮改造上是較成熟和完備的燃燒技術(shù)。

　　4.燃料分級(jí)技術(shù)

　　燃料分級(jí)原理是將在燃燒中生成的NO 與烴根CH、未完全燃燒產(chǎn)物CO、H₂、C 以及CnHm發(fā)生還原反應(yīng)，生成無(wú)污染的氣體。

　　利用這一原理，將80%~85%的燃料送入第一級(jí)燃燒區(qū)，在α>1 條件下，燃燒并生成NOx。其余15%~20%的燃料則在分解爐上部送入二級(jí)燃燒區(qū)，在α<1 的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛，使得在一級(jí)燃燒區(qū)中生成的NOx在二級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)被還原成氮分子。在二級(jí)燃燒區(qū)中不僅使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，可使NOx 的排放濃度進(jìn)一步降低。在二級(jí)燃燒區(qū)的上面還需布置“燃盡風(fēng)”噴口，以保證上面生成的未完全燃燒產(chǎn)物的燃盡。這種再燃燒法稱(chēng)為燃料分級(jí)燃燒。

　　根據(jù)火電鍋爐氮氧化物燃燒控制技術(shù)，水泥窯分解爐燃料分級(jí)燃燒具有一定脫硝效果，暫未有水泥工業(yè)上的較成功應(yīng)用實(shí)例，且需對(duì)分解爐做加大規(guī)模的改造，效果較難控制。

　　5. 選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)

　　選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)是在無(wú)催化劑存在條件下向爐內(nèi)噴入還原劑氨或尿素，將NOx 還原為N2 和H₂O。還原劑噴入水泥窯分解爐（850℃～1150℃），在NH₃/NOx摩爾比0.8～1.5情況下，脫硝效率30%～60%。在850℃左右溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)式為：

　　4NH₃+4NO＋O₂→4N₂+6H₂O

　　當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)生如下的副反應(yīng)，又會(huì)生成NO：

　　4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O

　　當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，又會(huì)減慢反應(yīng)速度，所以溫度的控制是至關(guān)重要的。

　　該工藝不需催化劑，但脫硝效率不高，高溫噴射對(duì)窯爐受熱面安全有一定影響。存在的問(wèn)題是由于溫度隨窯爐負(fù)荷和運(yùn)行周期而變化及窯爐中NOx 濃度的不規(guī)則性，使該工藝應(yīng)用時(shí)變得較復(fù)雜。

　　組合脫硝技術(shù)

　　現(xiàn)在水泥行業(yè)最主流的煙氣脫硝技術(shù)是選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)，但是其后期的運(yùn)行成本比較高，一般2500噸新型干法熟料生產(chǎn)線噸熟料運(yùn)行成本在2.5元~4元。由于近期水泥市場(chǎng)不景氣，所以，運(yùn)行脫硝設(shè)備對(duì)于水泥廠來(lái)說(shuō)，無(wú)形的增加了他們的壓力，因此，控制水泥回轉(zhuǎn)窯中氮氧化物的生成，降低后期SNCR的運(yùn)行成本，成為現(xiàn)在所有水泥廠希望采用的聯(lián)合脫硝技術(shù)——低氮燃燒+SNCR。

　　通過(guò)以上對(duì)各種控制水泥回轉(zhuǎn)窯中氮氧化物技術(shù)的比較（見(jiàn)表），空氣分級(jí)燃燒技術(shù)具有改造簡(jiǎn)單、對(duì)原燃燒制度影響小，理論NOx減排效率較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。所以，最適合水泥廠運(yùn)用的組合脫硝技術(shù)是空氣分級(jí)+SNCR技術(shù)。

　　目前，一條4000t/d熟料新型干法生產(chǎn)線上一套SNCR成本需要300萬(wàn)元，一套空氣分級(jí)系統(tǒng)需要50萬(wàn)元，氨水到廠家1000元/噸來(lái)計(jì)算，運(yùn)行組合脫硝系統(tǒng)只需要大概半年多的時(shí)間，就可以抵消掉上一套空氣分級(jí)系統(tǒng)的成本。由此可見(jiàn)，這種組合脫硝工藝對(duì)于水泥企業(yè)來(lái)說(shuō)，是一種最佳的選擇。

　　運(yùn)用實(shí)例

　　以一家日產(chǎn)4000噸熟料新型干法生產(chǎn)線為例，采用了空氣分級(jí)燃燒+SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，將原來(lái)的NOx 濃度從790mg/Nm³降低到300mg/Nm³。一年減少NOx 排放總量達(dá)到1000多噸，不僅滿足了國(guó)家新的排放標(biāo)準(zhǔn)，又產(chǎn)生了很好的社會(huì)效益，為其他水泥企業(yè)指明了聯(lián)合脫硝的方向。

　　1.工藝設(shè)計(jì)

　　（1）空氣分級(jí)

　　按4000t/d燒成系統(tǒng)熱平衡計(jì)算，三次風(fēng)管（按內(nèi)徑2.5m計(jì)算）風(fēng)速為23.5m/s，分解爐內(nèi)風(fēng)速5.75m/s，如三次風(fēng)管錐體進(jìn)入氣體過(guò)?？諝庀禂?shù)按0.8計(jì)算，分級(jí)燃燒風(fēng)管直徑可選擇1.8m，這時(shí)分級(jí)燃燒風(fēng)管風(fēng)速為17m/s，脫氮風(fēng)管進(jìn)口需設(shè)置在分解爐37.8m平臺(tái)上部2.6m位置，進(jìn)入即可。

　?。?）SNCR

　　SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)工藝系統(tǒng)包括還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)、循環(huán)模塊、稀釋計(jì)量模塊、分配模塊、噴射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。

　　本項(xiàng)目的還原劑采用氨水（10~20%），氨水采用罐車(chē)廠區(qū)內(nèi)輸送到儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐設(shè)有液位、溫度、壓力等顯示和信號(hào)檢測(cè)儀表，用于判定和系統(tǒng)報(bào)警。儲(chǔ)罐采用一用一備設(shè)置方式；儲(chǔ)罐出口通過(guò)軟連接連接到高倍流量循環(huán)（HFD）模塊，該模塊內(nèi)設(shè)置的離心泵（一用一備）為脫硝系統(tǒng)還原劑提供輸送動(dòng)力，該模塊內(nèi)設(shè)置電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥和溫度、壓力、流量檢測(cè)儀表，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和檢測(cè)；經(jīng)HFD模塊加壓后的還原劑進(jìn)入稀釋計(jì)量模塊，根據(jù)工藝需要進(jìn)行稀釋?zhuān)⑼ㄟ^(guò)計(jì)量?jī)x表完成還原劑用量的計(jì)量，該模塊內(nèi)配置稀釋水泵和流量調(diào)節(jié)閥門(mén)。經(jīng)過(guò)計(jì)量和稀釋的還原劑被管道輸送到分配模塊，經(jīng)過(guò)分配模塊將還原劑分配到每只噴槍。壓縮空氣通過(guò)主管氣源連接到壓縮空氣儲(chǔ)罐，經(jīng)分配模塊調(diào)壓后通過(guò)盤(pán)管向每只噴槍供應(yīng)壓縮空氣。以上主要控制可通過(guò)中控控制界面控制實(shí)現(xiàn)。

　　2.運(yùn)行效果及成本分析

　　在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了兩套方案：方案一，空氣分級(jí)和SNCR全開(kāi)，使空氣分級(jí)的效率調(diào)整到最高，并控制總的脫硝效率（60%）的狀態(tài)下，在穩(wěn)定運(yùn)行48小時(shí)后，記錄氨水（20%）單位時(shí)間內(nèi)的消耗量；方案二，關(guān)閉空氣分級(jí)調(diào)風(fēng)閥，只運(yùn)行SNCR，在達(dá)到同樣脫硝效率的狀態(tài)下，在穩(wěn)定運(yùn)行48小時(shí)后，記錄氨水（20%）單位時(shí)間內(nèi)的消耗量。

　　結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)目前適用于水泥窯上的各種降低NOx技術(shù)的描述和對(duì)比，選擇了一種適用于水泥窯的組合脫硝工藝，并以一個(gè)具體水泥窯項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)運(yùn)行效果及成本進(jìn)行分析，得出空氣分級(jí)+SNCR這種聯(lián)合脫硝的工藝是今后水泥脫硝的主流。