水泥窑低氮燃烧_SNCR脱硝系统设计及运行经验.docx

水泥窑低氮燃烧+SNCR脱硝系统设计及运行经验毛志伟，甘昊（合肥水泥研究设计院，合肥 230051）中图分类号：TQ172.9文献标识码：B文章编号：1671-8321（2013）08-0053-041 国内外NOx减排技术综述目前欧盟各国水泥行业采用SNCR法削减NOx排放的装置大致共有100多台，其中德国50多台，占德国现有 PC窑总数的70%以上。德国在应用SNCR法方面具有较 多实践经验和研究成果。日本17家水泥工厂在氮氧化物控制方面主要采取 以下3种方式降低水泥窑氮氧化物的排放：一是空气二 级燃烧，二是采用高效率的TMP燃烧器，三是尾部添加 尿素。美国现有143家水泥厂，大多采用替代燃料加SNCR 工艺来降低氮氧化物的排放，如马丁斯堡Lehigh 水泥厂（5 000t/d）采用干化污泥颗粒作为替代燃料，同时采用 SNCR技术对烟气进行脱硝处理。处理后NOx由0.80 kg/t熟 料下降至0.60kg/t熟料，运行成本增加0.58美分/t熟料，约为3.65元人民币/t熟料。而仅有少数几个水泥厂采用了SCR治理技术。如 2000年，第一个完整规模的SCR示范工厂Mergelstetten水泥 厂，在德国政府的资助下通过使用高粉尘SCR系统建成， 并在2001年2006年间运行。2010年2011年，拉法基在 奥地利Mergelstetten厂组装了试验设施。真正运行时间较 长的是在意大利的Monselice水泥厂，采用了高尘法SCR 系统。该水泥厂规模为2 400t/d，烟气量为11万m3/h，自2006年开始使用至今，系统采用浓度25的氨水溶液 用作还原剂，流量范围为30300L/h，氨水溶液喷入 到最高一级的旋风筒气流中。根据报告和测试结果表 明，这种SCR设计的技术可以减少烟囱处NOx的排放量200mg/Nm3（按实际O 的百分比）。根据进氮氧化物2浓度和氨喷射率，氮氧化物去除率范围为43%95。安mg/Nm532013.8 CHINA CEMENT表1 SCR参数，排放和成本报告（85，CEMBUREAU，2006）技术窑系统 适用性去除效 率/%报告的排放量报告的成本3（日平均值）kg NOX/t熟料投资（欧元/t熟料）运行（欧元/t熟料）SCR全部4397300500（1）0.151.02.5（2）3.24.5（3）（4）1.752 （3）（1）从试验结果，测试和长期运行的示范工厂。（2）由UBA德国估计的完整安装费用（窑容量1 500t熟料/d，初始排放浓度1 200 mg/Nm3和最终浓度200，500和800mg/Nm3（日平均值）。（3）由德国水泥工业（VDZ）计算的费用包括运行成本费用，加上全套设备折旧费用（窑容量1 500t熟料/d，1 200 t熟料/d初始排放mg/Nm3和最后一级的200mg/Nm3，500mg/Nm3和800mg/Nm3）。（4）意大利水泥厂最高值属于SCR系统，其中包括90万欧元的催化剂（3层的模块放置加2层的备用）。摘要：国家对水泥工业氮氧化物排放控制要求越来越严格，SNCR烟气脱硝技术正逐步在水泥行 业推广。本论文结合新型干法水泥生产线SNCR脱硝系统工程设计实例，阐述了SNCR脱硝工艺设 计选型原则和经验；分析了运行效果、使用成本；提出了系统实际运行中相关注意事项。 关键词：新型干法水泥生产线；氮氧化物；选择性非催化还原（SNCR）节能减排ES&ED 装SCR技术之前，氨逃逸1mg/Nm3（见表1）。2012年我国水泥产量21.84亿吨，约合水泥熟料产 量16亿吨左右，NO X 在水泥窑尾气污染中占有重要地 位。氮氧化物已列入“十二五”期间国家大气排放总 量控制目标。目前，我国水泥行业是继火电、汽车之 后我国第三大氮氧化物排放源，国家相关部门相继出 台了一系列针对水泥生产氮氧化物排放控制的政策与 污染物排放标准，水泥行业进入了烟气脱硝工程大面 积实施阶段。我国在水泥行业采用的降低氮氧化物排放的技术路 线为低氮燃烧+SNCR联合技术。其各自的作用和效果见 表2。使燃料在缺氧的条件下燃烧，燃烧速度低，生成CO等还原性气体，且燃料中的N大部分分解为HCN、HN、CN、 CH2等，使NOx分解，抑制炉内NOx生成，同时CO可还 原部分窑气的NOx。然后将燃烧用空气的剩下部分以分 级风的方式送入分解炉，使燃料燃烬。水泥窑空气分级燃烧改造方案为从原有三次分管 上加装一根脱氮风管，将部分三次风引至分解炉合适位 置。改造内容包括：三次风管调整和改造、脱硝风管配 置、高温闸阀控制系统，支撑和窑尾框架加固等，其中 三次风管上调节阀和脱硝管上调节的配合是关键，结构 见图1。（mg/Nm3）由表2可知，目前水泥企业采用的技术主要有两类，一是工艺过程控制，二是烟气治理。工艺过程控制主要 是指低氮燃烧技术和替代燃料，烟气治理技术主要是选 择性非催化还原（SNCR）技术，前者即使把上述两种措 施全部采用起来，水泥窑的NOx排放初步达到500mg/Nm3 以下。在此基础上，在烟气后面，采用SNCR技术是最 合理有效的工艺方案，脱硝效果明显，具有对水泥窑系 统影响小等特点。近年来，我国水泥行业SNCR烟气脱 硝技术发展迅速，从前期引进国外装备，已经发展到现 在国内公司优化设计开发出具有独立自主知识产权的新 一代水泥窑SNCR烟气脱硝技术，国内工程案例不断增 多，自四川都江堰拉法基水泥有限公司2011年底第一条 生产线采用SNCR技术以来，已有近180多条生产线的脱 硝工程投运和在建设中。图1 分解炉空气分级燃烧改造示意图燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧脱硝系统主要由煤粉输送系统和煤2.2粉均布喷射系统组成。系统包含：三次风管调整和改 造、脱硝风管配置、C4筒下料调整、煤粉储存、输送系 统、分解炉用煤粉燃烧器和相应的电器控制系统。 脱氮 系统的用煤经煤粉秤精确计量后，由罗茨风机送到窑尾 烟室的脱氮还原区，在脱氮还原区的合适位置均布着一 套燃烧喷嘴，煤粉经燃烧喷嘴高速（具体速度与该处空 间结构密切相关）进入还原区内并充分散开，一方面保 证了分级燃烧的脱氮效率，另一方面减少了煤粉在壁面 燃烧出现结皮的负面影响。此外，将部分C4下料分配到 脱氮区，以控制脱氮区温度在合适范围内。根据还原区 操作温度、C1出口NOx等系统参数，可及时调整脱氮用2分解炉分级燃烧技术2.1空气分级燃烧技术水泥窑空气分级燃烧技术的基本原理为：将分解炉 燃烧用的空气分两阶段分级加入，先将一部分空气送入 主燃烧区，使第一级燃烧区内空气过剩系数在1左右，54中国水泥 2013.8表2 水泥窑采用的NOx治理技术及效果NOx治理技术减排效率/%减排效果/一次 减排 技术采用低氮燃烧器5101 000降到800保持全窑系统稳定均衡 运行1020分解炉分级燃烧1030800降到500二次 减排 技术选择性非催化还原法 SNCR4070800降到300选择性催化还原法SCR7590800降到200图2 喷枪布置图煤量。在窑尾预分解炉建立专门的脱氮还原区，采用煤粉均布和物料温控技术，能够有效控制脱氮区的用煤和 脱氮区的温度。目前空气分级和燃烧分级脱氮系统已应用于数十 条新型干法水泥生产线。对投产厂的调试显示，采用燃 烧技术后水泥窑氮氧化物排放量较之前有20%左右的下 降。另外实践证明：窑尾系统氧含量高低直接影响分级 燃烧的脱氮效果。一般情况建议窑尾系统氧含量控制在1%以内。用多层布置，能更好地适应窑系统工况变化，根据 窑系统运行，去选择最佳 的还原剂喷射层位置，见 图2。3.3 仪器仪表的选型地处北方的水泥生产 线SNCR系统中仪表在选 型时应特别注意工作温度 范围，由于北方冬天气温 一般能达到-20以下， 甚至-40，所以北方水 泥生产线SNCR系统配套 的仪表工作温度范围应选 择-4070，在某些情 况下还要选择伴热系统，否则在冬天将严重影响SNCR系统的正常运行。南方地 区SNCR系统按照仪表正常工作范围选择即可。3 水泥窑SNCR系统的设计及运行注意事项SNCR系统都采用模块化设计或一体化设计，工艺固定，一套标准的水泥窑SNCR烟气脱硝工艺系统主要 包括还原剂储存系统、还原剂输送模块、计量分配模 块、还原剂喷射模块、CMES设备和控制系统等。在实 际工程设计及运行时需要考虑的细节很多，笔者根据自 身设计经验总结归纳以下几个要点。3.1 工艺布置有差异水泥窑SNCR系统不复杂，但是在工艺布置上也有 所不同，一种是一级泵送流程，另一种是二级泵送流 程。多数工艺布置是采用一级泵送流程，即还原剂输送 和喷射采用同一单级泵模块系统，直接将还原剂从窑尾 框架下的还原剂储区泵送到喷枪位置。这种流程简单， 不在窑尾框架平台上设置高位还原剂储罐，同时泵和仪 表的数量减少。但是，存在还原剂流量控制不精确，到 喷枪处压力波动变化大的问题，还原剂用量大。而在窑 尾框架上专门设置高位还原剂储罐，主要目的是将还原 剂输送和喷射两个过程分开，采用二级泵送流程，先将 还原剂一级泵送至窑尾框架上离喷射点位较近的高位还 原剂储罐，再通过窑尾框架平台上的喷射泵将还原剂输 送到喷枪处，可根据炉内NOx的变化，及时、精确地将 还原剂喷入炉内，其中按照流量计的计量及时调节电动 回流调节阀，来达到控制量的目的。且该过程是连续运 行的。从工程实际对比来看，采用二级泵送流程比一级 泵送流程在还原剂流量精确控制一项上可大幅减少还原 剂的浪费。二级泵送流程特别适合于采用氨水作为还原 剂的SNCR系统。3.2 选择最佳喷枪布置位置SNCR最佳反应温度区间8001 100，窑尾分解 炉中上部及其出口鹅颈管处的温度正好吻合此范围， 此处也是喷枪常规的布置点位。在喷枪布置上建议采 3.4监测仪器的选择、安装位置和校准SNCR系统主要的监测仪器有NOx监测仪和氨逃逸监测仪。控制SNCR系统的还原剂喷射量主要就是通过NOx气体分析仪。目前大多数SNCR系统NOx原始数据 来自水泥厂窑尾的环保在线监测，存在NOx数值反馈 时间迟后的问题，以及烟气在通过余热发电锅炉、生 料磨后存在NOx数值的波动。故建议安装在预热器C1出 口位置，减少给脱硝系统自动控制带来误差。氨逃逸 监测仪也是水泥窑SNCR系统常用的监测仪器，目前主 要设置在窑尾烟囱处，将氨逃逸作为污染物控制指标 和系统运行经济性指标，但是其主要的作用是通过检 测氨逃逸的量，防止未反应的氨气和烟气中硫的氧化 物反应生成硫酸氢铵这种粘性物质附着在余热发电锅 炉的换热管上影响换热，所以氨逃逸安装在窑尾烟囱 处，烟气通过余热发电、生料磨后其数值准确性和意 义大打折扣，故同样建议氨逃逸监测仪安装在预热器C1 出口位置。另外，监测仪器特别是NOx在线监测仪应按照要求 定期校准，否则错误的NOx初始浓度会给SNCR系统的 还原剂喷射量造成错误计算，严重影响脱硝系统的经济 性，造成还原剂的浪费。3.5 自动化控制系统SNCR脱硝系统应有高自动化程度控制系统，能实552013.8 CHINA CEMENT节能减排ES&ED 3窑尾标况烟气量420 000Nm /h现启停、运行全中控操作。SNCR脱硝系统的控制包括还原剂储区、SNCR系统两部分，控制系统能够完成整 个脱硝装置内所有的测量、监视、操作、自动控制、报 警及保护和联锁、记录等功能。采用DCS与PLC相结合 的控制方式。各区设置独立的智能PLC控制系统，并 汇集到主控制室或直接纳入主机DCS控制系统。根据 在线监测的NOx浓度及脱硝效率等要求，对还原剂供 应、SNCR部分的运行实现自动控制，并对关键参数 进行检测。3.6 稀释水系统采用尿素作为还原剂时稀释水系统是必不可少的 一部分，氨水作为还原剂时稀释水系统是选配部分。 但是从工程实际来说，建议氨水系统也配置稀释水系 统，这样氨区的水罐可以作为氨水储罐挥发出来氨气 的吸收装置，同时稀释水可以作为停机后管道冲洗 水，以及在进行管道检修或者检查喷枪雾化效果时作 为测试液体，且当氨水为碳化氨水浓度较高时也可进 行适当稀释。前采用的还原剂主要是氨水和尿素，采用两种还原剂除去压缩空气、电耗、人员成本、维护成本、折旧成本这 类共同成本，以5 000t/d生产线SNCR系统为例对剩下的 成本做相应比较，见表3。从表3可以看出还原剂的消耗成本基本相同，但在 热耗上采用尿素作为还原剂要远远高于氨水，原因在 于尿素作为还原剂时要制备成10%的溶液喷入窑尾，故 带入的水量远远高于氨水溶液。同时，由于水泥窑分解 炉内温度正常为850950之间，当氨水作为还原剂 喷入分解炉时，水分迅速蒸发为气态而散失在烟气中， 氨则有选择性地与烟气中的NOx反应，从而脱除NOx； 而尿素溶液作为还原剂喷入分解炉时，水分也迅速蒸 发，但尿素并不能立即与烟气中的NOx反应，还需要在 高温状态下进行分解，生成NH3后，再与烟气中的NOx 反应。所以综合运行成本和运行效果，若不存在采购问 题，建议水泥企业使用氨水作为还原剂。5 总 结低氮燃烧+SNCR烟气脱硝联合技术已经在我国水泥行业开始推广，其中合肥水泥研究设计院也已在十几 条生产线投入了运行，该技术将是今后一段时间内水泥 行业主流的烟气脱硝工艺，但是目前相应的系统设计规 范、设计标准还没有出台，导致目前SNCR系统形式很 多，优劣混杂。在系统设计时，应充分考虑企业的使用 条件，总结经验，处理好一些细节的问题，同时，尽 快出台相应的规范和标准，能更好地规范和指导水泥 SNCR脱硝技术的发展。4 水泥窑运行效果及使用成本分析