水泥行业脱硝分级燃烧技术SNCR

1、4000t/d新型干法水泥生产线分级燃烧 +SNCR烟气脱硝技术方案1、减排氮氧化物社会效益 32、本项目脱硝工艺描述 52.1、分级燃烧技术 52.2、SNCR 脱氮技术 8 卸氨系统 9 罐区 9 加压泵及其控制系统 9 混合系统 9 分配和调节系统 10 喷雾系统 10 水电气供给 10 控制系统 11 SNCR 主要设备与设施 113、氮氧化物目前排放量 124、总体性能指标 12（ 1）窑尾分级燃烧脱氮技术（单独使用 ） 12（ 2）SNCR 脱氮技术 （ 单独使用） 13（ 3）分级燃烧和 SNCR 结合的脱氮集成技术 135、主要技术经济指标 136、经济效益评价 146.1 单

2、位成本分析 146.2 运行成本分析 156.3 环境及社会效益分析 161、减排氮氧化物社会效益氮氧化物（ NOx ）是大气的主要污染物之一，包括 NO、NO2、N2O、N2O3、N2O5 等多种氮的氧化物，燃煤窑炉排放的 NOx 中绝大部分是 NO。NO的毒性不是很大， 但是在大气中 NO可以氧化生成 NO2。NO2比较稳定，其毒性是 NO 的45倍。空气中 NO2的含量在 3.5 ×106（体积分数）持续 1h，就开始对人体有影响；含量为（ 2050） ×106 时，对人眼有刺激作用。含量达到 150×106 时，对人体器官产生强烈的刺激作 用。此外， NO

3、x 还导致光化学烟雾和酸雨的形成。由于大气的氧化性， NOx 在大气 中可形成硝酸（ HNO3）和硝酸盐细颗粒物，同硫酸（ H2SO4）和硫酸盐颗粒物一起， 易加速区域性酸雨的恶化。随着我国工业的持续发展，由氮氧化物等污染物引起的臭氧和细粒子污染问题 日益突出，严重威胁着人民群众的身体健康，成为当前迫切需要解决的环境问题。 2011年全国人大审议通过了 “十二五 ”规划纲要，提出将氮氧化物首次列入约束性指标 体系，要求“十二五 ”期间工业氮氧化物排放减少 10%，氮氧化物减排已经成为我国下 一阶段污染治理和减排的重点。氮氧化物活性高、氧化性强，是造成我国复合型大 气污染的关键污染物。随着国民经

4、济持续快速发展和能源消费总量大幅攀升，我国 氮氧化物排放量迅速增长。 “十一五 ”期间，我国氮氧化物排放量逐年增长， 2008年达 2000 万吨，排放负荷巨大。特别是水泥行业氮氧化物排放量也呈现快速增长趋势， 2000年77万吨， 2005年136万吨， 2010年约200万吨。氮氧化物排放量的迅速增加导 致了一系列的城市和区域环境问题。北京到上海之间的工业密集区已成为对流层二 氧化氮污染较为严重的地区， “十一五 ”期间全国降水中硝酸根离子平均浓度较 2005 年有较大幅度地增长。由氮氧化物等污染物引起的臭氧和细粒子污染问题日益突出， 严重威胁着人民群众的身体健康，成为当前迫切需要解决的环

5、境问题。若不严加控 制，今后一段时期我国城市光化学烟雾、酸雨污染和灰霾天气还将呈现迅速发展和 恶化之势。“十二五 ”期间我国将针对氮氧化物的污染特征， 进入以空气质量改善为切 入点、以主要行业为突破口的大规模削减阶段。继火电行业脱硝工作大规模推广后，我国将推进以水泥行业为主的其它行业氮 氧化物排放控制。 我国水泥行业氮氧化物的排放占总排放量的 10%左右，是我国氮氧 化物排放的第三大源。随着水泥行业落后产能淘汰工作的推进，新型干法窑的使用 比例将大幅增加，在提高能源使用效率的同时，由于燃烧温度高等原因，氮氧化物 排放量将显著增加。随着国家将氮氧化物的削减正式提上日程，相关部门相继出台了一系列与

6、水泥 生产 NOx排放控制的政策与污染物排放标准： GB4915-2004 水泥工业大气污染物排 放标准，水泥窑 NOx排放量应小于 800mg/Nm3 （标况气体，折算为 NO2，以 10%氧含 量为基准，下同 ） ； GB50259-2008 水泥厂设计规范规定，水泥厂焚烧废弃物 NOx 排 放量应小于 500mg/Nm3。氮氧化物排放量已被国家列入 “十二五 ”规划的控制性目标， 要求 2015 年氮氧化物排放总量比 2010年下降 10；工业和信息化部发布的水泥 行业准入条件（工原 2010第127号文件） “对水泥行业大气污染物实行总量控制， 新建或改扩建水泥（熟料）生产线项目须配置

7、脱除 NOx 效率不低于 60%的烟气脱氮 装置”。随着国家环保要求的日趋严格，对污染物排放的控制力度也越来越大，对水泥 生产企业提出了更高的减排要求。某水泥有限公司积极响应国家号召，计划对熟料 生产线开展水泥窑系统的脱氮工程，实现水泥窑减排、环境保护和可持续发展。目 前，项目核准前的各项准备工作业主正在积极进行之中。2、本项目脱硝工艺描述目前，水泥窑 NOx 控制技术主要包括低氮燃烧器、分级燃烧法、非选择性催化 还原法（ SNCR）和选择性催化还原法（ SCR）等，各控制技术的脱氮效率如下表所示：NOx 控制技术低 NOx 燃烧器分级燃烧SNCRSCR脱氮效率1015%2530%5070%8

8、590%低NOx燃烧器目前在国内已经有广泛应用，但其效果受窑工况影响较大，一般 NOx 的排放量不能达到预期效果或效果不明显。 SCR 法具有脱氮效率高的优势，在 电厂锅炉脱氮被广泛应用。 但由于 SCR操作温度窗口和含尘量的特殊要求， 在国内外 水泥生产线上极少使用，主要原因为： （1）出 C1的烟气通常用于余热发电，出余热 发电系统的烟气温度无法满足 SCR 的温度要求；（ 2）窑尾框架周边基本上没有布置 SCR催化剂框架的空间；（3）出C1的烟气中高浓度粉尘及其有害元素易造成催化剂 破损和失效；（4）一次性投资大；烟气通过催化剂的阻力增大了窑系统的阻力； （5） 催化剂每三年需要更换，运

9、行成本高。 SNCR法在欧洲水泥工业已应用 20多年，效果 较好。2.1、分级燃烧技术技术原理：分级燃烧脱氮的基本原理是在烟室和分解炉之间建立还原燃烧区，将原分解炉 用煤的一部分均布到该区域内，使其缺氧燃烧（第一级燃烧区域内空气过剩系数小 于1）以便产生 CO、CH4、H2、HCN 和固定碳等还原剂。这些还原剂与窑尾烟气中 的NOx发生反应， 将NOx还原成 N2等无污染的惰性气体。 此外，煤粉在缺氧条件下燃 烧也抑制了自身燃料型 NOx产生，从而实现水泥生产过程中的 NOx减排。其主要反应 如下：2CO +2 NO N2+ 2CO2NH+NH N 2+H22H2+2NO N2+2H2O分级燃

10、烧脱氮技术具有以下优点：有效降低的 NOx排放，可达到 2530的 NOx脱除率； 无运行成本，且对水泥正常生产无不利影响； 无二次污染，分级燃烧脱氮技术是一项清洁的技术，没有任何固体或液体的污染 物或副产物生成；分级燃烧脱氮技术缺点：一次投资大，需要适当停窑周期实施改造，同时要有经验中控操作人员进行调 整。工艺流程：分级燃烧脱氮系统主要包含：三次风管调整和改造、脱氮风管配置、 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，其分解 炉调整如图所示。生料 煤粉和 煤风 三次风出口窑尾烟气分三次 风入口 生料煤粉和煤风三次风脱氮系统的用煤经煤粉秤精确计量后，由罗茨风

11、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进入还原区内 并充分分散，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，根据还原区操作温度、 C1出口 NOx等系统参数，可及 时调整脱氮用煤量。分解炉还原区装备内容 利用分级燃烧脱氮技术对烧成系统进行改造，不改变分解炉主体结构，在分解 炉烟室预留的脱氮还原区，在脱氮喷射预留孔位置设置高速喷煤嘴，煤粉在此区域 内缺氧燃烧产生适量的还原气氛， 与窑气中的 NOx发生反应， 将NOx转化成无污染的 N2。三次风管入分解炉的部分抬高到适度位置。改造后整个窑尾用煤总量与改

12、造前 一致，只是将其按一定比例分成两路，一路进入分解炉，另一路进入还原区。为保 证烧成系统的稳定及高效的脱氮效率，脱氮用煤系统需独立计量和控制。2.2、 SNCR 脱氮技术将氨水（质量浓度 20%25%）或尿素溶液（质量浓度 30%50%）通过雾化喷 射系统直接喷入分解炉合适温度区域 （ 8501050），雾化后的氨与 NOx（ NO、NO2 等混合物）进行选择性非催化还原反应，将 NOx 转化成无污染的 N2。当反应区温度 过低时，反应效率会降低；当反应区温度过高时，氨会直接被氧化成N2 和 NO。喷氨后炉内发生的化学反应有：4NO+4NH3+O2 4N2+6H2O6NO+4NH3 5N2+

13、6H 2O6NO2+8NH37N2+12H2O2NO2+4NH3 +O2 3N2+6H2O为了提高脱 NOx 的效率并实现 NH3 的逃逸最小化，满足以下条件：在氨水喷入 的位置没有火焰；在反应区域维持合适的温度范围（ 8501050）；在反应区域有 足够的停留时间（至少 0.5 秒， 900）。SNCR（喷氨）系统主要由卸氨系统、罐区、加压泵及其控制系统、混合系统、 分配与调节系统、喷雾系统等组成。其流程如下图所示：8 卸氨系统外购氨水运输至厂区后，通过离心泵将槽罐车内的氨水输送至氨水储罐。由于 氨水易挥发，氨水储罐内的氨蒸气通过管道连接至稀释水储罐，氨蒸气可被稀释水 吸收，从而达到了防止氨

14、气泄露的隐患。 罐区由于罐区的占地面积较大，根据工厂场地的实际情况，考虑将罐区布置均化库 附近空地。罐区主要布置氨水储罐和稀释水储罐，氨水储罐的液位通过物位计信号 传输至中控，另外储罐也自带直观液位计。罐区上方设有挡棚，四周敞开。罐区四 周设有约 30 厘米高的混凝土围堰及排水沟，以防止氨水泄漏时向罐区四周厂区溢流 扩散。 加压泵及其控制系统来自罐区的氨水和稀释水分别通过加压泵同时输送至混合系统，从而最终被输 送至喷雾系统。氨水加压泵及其控制系统主要由两台螺杆泵（一用一备）、回流控 制系统、压力检测系统及相应阀组组成。稀释水加压泵及其控制系统所含设备与氨 水相同。整个系统布置在罐区附近，与罐区

15、共用挡棚。 混合系统由于外购氨水浓度相对较高，主要是为了增加氨水的利用效率，需要兑水稀释。 氨水和稀释水分别由两个独立管路进入混合系统，且两流体的流量可根据实际所需 喷氨量进行任意浓度的调配，最终被同时输送至静态混合器内，利用静态混合器的强湍流扰动特性，将氨水与稀释水充分混合均匀。整个系统布置在罐区附近，与罐 区共用挡棚。 分配和调节系统由于在分解炉上布置了两层喷枪，进入两层喷枪的稀氨水需要通过控制分配和 调节系统上的电动调节阀来自动控制稀氨水流量分配。出混合系统的稀氨水通过管 路输送至分配和调节系统，系统布置在预热器塔架钢平台上，与喷雾系统靠近布置。 喷雾系统喷枪是喷雾系统的核心也是整个 S

16、NCR（喷氨） 系统的关键部件。 本项目在两条 线都布置了十支喷枪。为提高脱氮反应的效率，喷枪在分解炉上分两层布置，一层 布置六支，另一层布置四支，所有喷枪围绕分解炉周向对称均布。整个喷雾系统都 有自反馈和自动调节功能，通过在线监测 C1级筒出口（或烟囱出口） NOx 排放值， 利用反馈系统自动调节和控制氨水喷射量，在保证脱氮效率前提下减少系统运行成 本。喷枪能适应不同的稀氨水的流量，在流量变化幅度较大时也能保持优良的雾化 效果。 水电气供给厂区管架在 SNCR（喷氨） 系统的罐区附近， 管架上的工业水管通过分水阀即可 接入稀释水罐。目前水泥生产线的压缩空气有富裕，出气压力约为0.7MPa，能

17、够满足喷枪入口气压： 0.4 0.6MPa，因此可直接利用现场的压缩空气作为喷雾系统的气 源。整个 SNCR（喷氨）系统的电气柜放在窑尾预热器塔架下的电气室内。10 控制系统SNCR 系统采用独立的 PLC 控制系统，能实现炉内喷氨量的自动控制，脱氮系 统能跟随运行负荷变化而变化，使脱氮系统长期、可靠的安全运行。为保证系统可 靠性和提高性价比， SNCR 喷射系统纳入水泥生产线的 DCS 控制系统中。 SNCR 喷 射系统采用一个远程 I/O 站， DCS系统 CPU仍采用原有 DCS的 CPU，工作站及系 统软件也采用原有设备。控制系统包括了就地控制柜、 PLC 控制柜、接线箱。就地控制箱包

18、括了水泵的 启停、切换；报警及报警接触。 PLC 控制柜对整个系统的控制，包括了对远程信号 的接收、计算和传输。所有信号都能就地显示、 PLC 控制柜显示和操作和远程 DCS 显示和操作。根据出口处的 NOX 浓度在线检测设备，当系统检测到出口浓度与设定值不符时， 在自动模式时系统可以改变还原剂的喷射量使 NOx 浓度稳定在设定值范围内，手动 模式时，在现场可直接手动调节还原剂喷射量。 SNCR 主要设备与设施序号名称数量单位1氨水加压泵组1套2稀释水加压泵组1套3稀释水与氨水混合阀组1套4上层稀氨水分配阀组1套5下层稀氨水分配阀组1套6喷雾系统1套117储罐及卸氨系统1套8压缩空气系统1套9

19、仪表、电气控制系统1套10罐区厂房1个3、氮氧化物目前排放量根据某水泥提供的资料，水泥有限公司氮氧化物自 2010 年验收合格后，氮氧化 物排放浓度已符合水泥工业大气污染物排放标准 （GB4915-2004）表 2 规定限制 要求。其氮氧化物排放现状见下表水泥有限公司氮氧化物排放现状表污染物名称排放浓度（ mg /m3）年排气量（ m3）污染物年排放量（吨）标准规定排放限值（ mg /m3）氮氧化物（以 NO 计）水泥行业 “十二五 ”发展规划 中指出：推进节能减排： 大力实施节能减排技术 改造，建立健全能源计量管理体系，推行清洁生产，降低综合能耗，减少污染物排 放。着力减少二氧化碳及氮氧化物

20、、二氧化硫等主要污染物排放。新建生产线必须 配套建设效率不低于 60%的烟气脱硝装置。因此，根据水泥行业发展规划要求，氮氧化物排放需进行治理。4、总体性能指标（ 1）窑尾分级燃烧脱氮技术 （ 单独使用 ）窑尾分级燃烧的脱氮效率为 2530122） SNCR 脱氮技术 （单独使用 ）采用 SNCR 选择性非催化还原技术，可以减少氮氧化物排放 50%70%。按不同 的脱氮成本可实现氮氧化物排放 500 mg/Nm3（ 10%氧含量， NO计）的连续控制， 满足不同阶段的环保标准的持久性适应需求。氨逃逸 5ppm。（ 3）分级燃烧和 SNCR 结合的脱氮集成技术减少氮氧化物排放 6080， NOX

21、202mg/Nm3（ 10%氧含量， NO计）。可以有效 控制运行成本，既发挥分级燃烧的无运行成本增加优势，同时也发挥 SNCR高效脱氮 的目标要求。氨逃逸 10ppm。5、主要技术经济指标序号指标名称单位指标备注1熟料生产线规模t/d1x40002技术方法分级燃烧 +SNCR3装机容量kW804设备性能指标螺杆泵出口压力（氨水、稀释水）MPa1.4供气系统出口压力MPa0.40.6喷枪流量范围L/（h·支）30180喷枪数量支1013平均喷雾颗粒m80最大喷雾颗粒m150喷雾长度（炉外条件下）m67使用寿命h20000分解炉分煤最大比例%705NOx 排放指标NOx 排放（ 10%

22、氧含量，NO 计）mg/Nm3202烟囱出口6消耗指标氨水（ 20%）t/h0.92稀释水（去离子）t/h1.98压缩空气（0.4 0.6MPa）最大气耗Nm3/h407运行费用元/吨熟料4.38占地面积2 m2009项目总投资万元2946.510环境效益减少 NOx 排放吨/年1464.26、经济效益评价6.1 单位成本分析项目材料与动力消耗包括氨水、压缩空气，除盐水及电力消耗。材料与动力到14厂“单价”见下表。序号名称单位数量120%氨水元/吨12002压缩空气元/标准立方0.53除盐水元/吨3.54电力元/千瓦时16.2 运行成本分析本条 4000t/d新型干法水泥生产线氮氧化物初始排放

23、平均浓度为 675mg/Nm3，采用 分级燃烧和 SNCR（喷氨）的集成技术脱氮后，会产生脱氮运行费用。根据脱氮效率 要求的不同，运行成本会有所变化，下表给出了不同脱氮效率下的氨水用量及运行 成本。（以技术经济指标基本条件为基准，假设分级燃烧首先完成 30%的脱氮效率、 其余部分由 SNCR喷氨完成。）技术方案分级燃烧分级燃烧 +SNCR脱氮效率指标30%40%50%60%70%氨水消耗吨/年866.4216.06324.1432.13氨水成本万元 /年103.9259.272388.92507.756稀释水消耗吨/年1543.5534735402.57350.3稀释水成本万元 /年0.40.851.351.85压缩