水泥窯爐SNCR工藝主要運(yùn)行參數(shù)控制

2016-06-02 01:07蘇錦燕張澤玉深圳市格瑞斯達(dá)科技有限公司廣東深圳518607

中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè) 2016年3期

蘇錦燕，張澤玉（深圳市格瑞斯達(dá)科技有限公司，廣東深圳 518607）

SU Jin-yan, ZHANG Ze-yu

蘇錦燕，張澤玉
（深圳市格瑞斯達(dá)科技有限公司，廣東深圳 518607）

摘要：結(jié)合西安西京公司1200t/h生產(chǎn)線煙氣脫硝技改工程總承包項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及調(diào)試，介紹了SNCR工藝的運(yùn)行特點(diǎn)，總結(jié)出還原劑、氨氮比、噴槍安裝位置及數(shù)量、噴氨量等工藝參數(shù)的合理規(guī)范及控制方法。調(diào)試運(yùn)行證明，在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，其整體運(yùn)行情況良好，系統(tǒng)的脫硝效率可達(dá)到國(guó)家環(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：水泥窯；脫硝效率；選擇性非催化還原法；參數(shù)控制

Main Operation Parameter Control of SNCR Technology in Cement Kiln

SU Jin-yan, ZHANG Ze-yu

目前，水泥窯NOx控制技術(shù)主要包括低氮燃燒器、分級(jí)燃燒法、選擇性非催化還原法（SNCR）和選擇性催化還原法（SCR）等，各控制技術(shù)的脫氮效率如表1所示。

表1　各控制技術(shù)的脫硝效率

低NOx燃燒器目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，但其效果受窯工況影響較大，一般NOx的排放量不能達(dá)到預(yù)期效果或效果不明顯。SCR法具有脫硝效率高的優(yōu)勢(shì)，在電廠鍋爐脫硝被廣泛應(yīng)用。但由于SCR操作溫度窗口和含塵量的特殊要求，在國(guó)內(nèi)外水泥生產(chǎn)線上極少使用，主要原因?yàn)椋?）出C1的煙氣通常用于余熱發(fā)電，出余熱發(fā)電系統(tǒng)的煙氣溫度無(wú)法滿足SCR的溫度要求；2）窯尾框架周邊基本上沒(méi)有布置SCR催化劑框架的空間；3）出C1的煙氣中高濃度粉塵及有害元素易造成催化劑破損和失效；4）一次性投資大；煙氣通過(guò)催化劑的阻力增大了窯系統(tǒng)的阻力；

5）催化劑每三年需要更換，運(yùn)行成本高。SNCR法在歐洲水泥工業(yè)已應(yīng)用20多年，效果較好。

選擇性非催化還原法脫硝工藝（簡(jiǎn)稱SNCR），是在沒(méi)有催化劑的條件下，利用還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無(wú)害的氮?dú)夂退囊环N脫硝方法。

西安西京水泥有限責(zé)任公司1200t/h生產(chǎn)線，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地、投資運(yùn)行、窯爐工況等經(jīng)濟(jì)及技術(shù)情況，采用SNCR工藝方法脫硝，現(xiàn)整體狀況運(yùn)行良好，脫硝效率達(dá)到設(shè)計(jì)環(huán)保要求。

1　水泥窯SNCR工藝流程

西安西京水泥有限責(zé)任公司1200t/h生產(chǎn)線SNCR脫硝的工藝流程為：儲(chǔ)存在氨水儲(chǔ)罐的氨水經(jīng)稀釋為質(zhì)量濃度為20%～25%的氨水后，通過(guò)霧化噴射單元噴入分解爐合適溫度區(qū)域，霧化后的氨與NOx（NO、NO2等混合物）進(jìn)行選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化成無(wú)污染的N2。SNCR（噴氨）系統(tǒng)主要由卸氨系統(tǒng)單元、罐區(qū)、輸送單元、混合單元、分配與調(diào)節(jié)單元、噴射單元、PLC控制系統(tǒng)等組成。其流程如圖1。

圖1 典型氨水SNCR脫硝工藝流程圖

2　關(guān)鍵參數(shù)及控制要點(diǎn)

2.1還原劑的選擇

SNCR工藝中常使用的還原劑主要有尿素、氨水及液氨。液氨作為還原劑時(shí)，其脫硝系統(tǒng)儲(chǔ)罐容積較小，價(jià)格最便宜，缺點(diǎn)是氨氣有毒、可燃、可爆，儲(chǔ)存的安全防護(hù)要求高，需經(jīng)相關(guān)的消防安全部門審批才能大量?jī)?chǔ)存、使用。尿素作為還原劑，從投資及運(yùn)行成本分析，脫硝效率低于氨水，且投資及運(yùn)行成本均高于氨水。從安全性方面考慮，尿素為無(wú)毒、無(wú)害的化學(xué)品，不易爆炸，適用于大型鍋爐設(shè)備的SNCR脫硝工藝。從還原劑物理性質(zhì)、溫度窗選擇、脫氮率和化學(xué)反應(yīng)效率、投資運(yùn)行費(fèi)用以及對(duì)主體設(shè)備影響等因素考慮，氨水作為還原劑比氨氣的噴射剛性、穿透能力好，具有流程短、副反應(yīng)少、系統(tǒng)設(shè)備占地面積小、脫氨率高、對(duì)主體設(shè)備影響小以及經(jīng)濟(jì)性更佳等優(yōu)勢(shì)。因此該項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用氨水作為工程的還原劑。幾種還原劑性能對(duì)比見(jiàn)表2。

表2　幾種還原劑性能對(duì)比

2.2氨氮比NSR的控制

合適的氨氮比是保證脫硝效率的關(guān)鍵因素，由于實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜，為保證脫硝效率，在實(shí)際反應(yīng)中需注入比理論量多的還原劑。氨氮摩爾比越大越有利于提高脫硝效率，但同時(shí)增大了氨的逃逸率及運(yùn)行成本，當(dāng)NSR = 2.0時(shí)，脫硝效率增加并不明顯，因此在實(shí)際工程中要選擇一個(gè)最佳氨氮比，以滿足工程設(shè)計(jì)的脫硝效率及氨的逃逸率，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，一般氨氮摩爾比的控制在1.2～1.6為宜，根據(jù)去除效率要求適當(dāng)調(diào)整。

2.3窯爐中噴射氨水的位置

工程設(shè)計(jì)中首先運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué) CFD 模型進(jìn)行工程模擬，模擬分解爐內(nèi)煙氣的流動(dòng)和溫度，以初步確定氨的噴射位置；其次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，根據(jù)模擬結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果確定噴嘴的布置。

該工程的溫度場(chǎng)選擇在850℃～950℃。當(dāng)溫度高于1000℃時(shí)，NOx的脫除率由于氨氣的熱分解而降低；溫度低于1000℃以下時(shí)，NH3的反應(yīng)速率下降，還原反應(yīng)進(jìn)行得不充分，NOx脫除率下降，同時(shí)氨氣的逸出量可能增加。

2.4噴槍的選擇及參數(shù)控制

噴槍形式、數(shù)量的確定，直接影響還原劑的噴射量、霧化效果、噴射點(diǎn)的分布，并決定還原劑與煙氣的接觸面積、接觸時(shí)間，從而影響SNCR的脫硝效率。

噴槍有固定式（見(jiàn)圖2）和伸縮式兩種類型，伸縮式噴槍不直接暴露在高溫?zé)煔庵?，可根?jù)實(shí)際情況調(diào)整進(jìn)入爐膛的長(zhǎng)度，在鍋爐啟動(dòng)、停運(yùn)或季節(jié)性運(yùn)行或其他一些原因SNCR需停運(yùn)時(shí)候，噴射器可退出，因此其的使用壽命比固定式噴槍長(zhǎng)。但伸縮式的噴槍比固定式噴槍的價(jià)格高，一般伸縮式噴槍的價(jià)格是固定式噴槍的2倍。

還原劑在噴槍中噴嘴的有壓下噴射，可獲得最佳大小及分布的液滴，用噴射角度及速度控制反應(yīng)劑軌跡。因此噴嘴的角度、速度及由噴槍入口壓力控制的霧化效果，對(duì)脫硝效率起著重要作用。

該工程在項(xiàng)目成本控制及運(yùn)行允許的范圍內(nèi)，采用8只固定式噴槍，不銹鋼材質(zhì)，一層布置，圍繞窯爐相應(yīng)溫度場(chǎng)對(duì)稱均布。單支噴槍的噴射流量應(yīng)控制在1.2～8.5L/min，噴槍入口處，液體及壓縮空氣壓力控制在0.40M～0.60MPa。噴嘴采用55°噴射角。整個(gè)噴霧系統(tǒng)都有自反饋和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)C1級(jí)筒出口（或煙囪出口）NOx排放值，利用反饋系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制氨水噴射量，在保證脫硝效率前提下，減少系統(tǒng)運(yùn)行成本。噴槍能適應(yīng)不同稀氨水的流量，在流量變化幅度較大時(shí)也能保持優(yōu)良的霧化效果。

2.5反應(yīng)時(shí)間的控制

在SNCR反應(yīng)過(guò)程中，需要有充足的停留時(shí)間，以保證還原劑與煙氣充分混合。如果停留時(shí)間太短，還原劑與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)不完全，會(huì)造成脫硝效率的下降；如果停留時(shí)間太長(zhǎng)，過(guò)多的NH3會(huì)與O2反應(yīng)，重新生成NOx，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，較佳停留時(shí)間約為0.5s。

3　SNCR工藝優(yōu)勢(shì)

與脫硝效率較高的SCR工藝方法相比，SNCR工藝有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要改變現(xiàn)有鍋爐的設(shè)備設(shè)置，只需在現(xiàn)有的鍋爐的基礎(chǔ)上增加氨或尿素儲(chǔ)槽、氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可；

（2）系統(tǒng)投資小，SNCR工藝由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，以及運(yùn)行中只需要廉價(jià)的尿素或液氨而不需要昂貴的催化劑，相對(duì)于SCR40～60美元/kW的昂貴造價(jià)，SNCR5～10美元/kW的造價(jià)，更適合中小鍋爐或脫硝效率要求不高的工況；

（3）阻力小，對(duì)鍋爐的正常運(yùn)行影響較??；

（4）系統(tǒng)占地面積小，需要的較小的氨或尿素儲(chǔ)槽，可放置于鍋爐鋼架之上而不需要額外的占地預(yù)算。

4　運(yùn)行結(jié)果

西安西京水泥有限責(zé)任公司1200t/h生產(chǎn)線脫硝工程在調(diào)試、運(yùn)行中，系統(tǒng)穩(wěn)定，脫硝效率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，水、電、氨水耗量等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。該企業(yè)的脫硝房和水泥窯爐見(jiàn)圖3、圖4。