水泥窑SNCR工艺分析

曾昌伍

（合肥水泥研究设计院，合肥 230051）

随着国家对环保要求的提高，新的《水泥工业大气污染物排放标准》即将实施，该标准对水泥企业水泥窑及窑磨一体机排放的氮氧化物（以NO2计）进行了新的规定。

自2013年1月1日起至2014年12月31日止，现有企业执行的大气污染物排放限值见表1；自2015年1月1日起，现有企业执行的大气污染物排放限值见表2；自2013 年7月1日起，新建企业执行的大气污染物排放限值见表3；重点地区企业执行的大气污染物特别排放限值见表4。执行特别排放限值的时间和地域范围由国务院环境保护行政主管部门或省级人民政府规定。

表1 现有企业目前大气污染物排放限值

表2 自2015年1月1日起现有企业大气污染物排放限值

表3 自2013年7月1日起新建企业大气污染物排放限值

表4 自2013年7月1日起重点地区企业大气污染物特别排放限值

目前国内有数千条水泥熟料生产线，在新标准的规定下，绝大多数需要增加或改造脱硝系统。针对现有的实际情况，使用选择性非催化还原脱硝技术（SNCR）工艺比较经济合理。该工艺是把含有NH3的还原剂（如氨、尿素）喷入炉膛温度为800℃～1100℃的区域，还原剂迅速热分解成NH3并与烟气中的NOx进行SNCR反应生成N2。该反应以炉膛为反应器，可以通过对分解炉进行改造或合理选择喷入口得以实现。

SNCR工艺脱硝效率主要取决于反应温度、NH3与NOx的化学计量比、混合程度、反应时间等，其中温度控制最为重要。温度过高，NH3容易被氧化成NO，抵消NH3的脱硝效果；温度过低，NH3反应不完全，存在NH3泄漏问题。实验表明在900℃～1100℃这个温度范围内，氨、尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本不与烟气中的O2作用。

SNCR工艺不需要催化剂，工艺流程简单，在火电厂脱硫效率一般为30%～50%，对于水泥旋窑，由于有多级预热器，效率会高一些，一般在60%左右。

不同的工艺流程和不同的控制模式对SNCR的分块也不一样。一般来说，使用氨水作为还原剂的工艺大致可以分为以下8个部分：软水供应系统P1、还原剂卸料系统P2、还原剂储存系统P3、还原剂供给系统P4、还原剂控制系统P5、喷射系统P6、压缩空气系统P7、电气及自动控制系统P8。

（1）软水供应系统P1

稀释水、冲洗水、冷却水（如有）采用常温软化水，通过加注泵加入软水箱，软化水参数要求见表5。

表5 软化水参数

软水通过管道进入水箱，水箱中的软水通过提升装置（设置1台立式多级离心泵）进入氨水高位储罐或喷射系统。

（2）还原剂卸料系统P2

一般采用20%～25%浓度的氨水为脱硝还原剂，还原剂卸料系统采用泵模块加注。氨水卸料泵为自吸式标准加注泵，设置2台（1运1备），并列布置。

（3）还原剂储存系统P3

设置1台或2台满足6天脱硝系统用量要求的氨水储罐，氨水储罐采用304不锈钢制造。

储罐及泵站模块应安装于混凝土围堰内。为避免罐内过压或真空，罐顶安装呼吸阀。储罐设液位、氨水浓度仪、温度、压力监测，通过液位变送器实现就地及远程连续监测。

储罐设计应考虑足够的安全性，所配仪器仪表均为防爆仪表。

为避免卸氨时氨气直接排放到大气中，需将废气引致水箱进行吸收氨气，水箱采用PE材质，容积为2m3。

（4）还原剂供给系统P4

氨水提升装置用于将氨罐内的氨水输送到高位氨水罐内，提升装置设置2台立式多级离心泵（1运1备），氨水高位储罐安装液位计与氨水提升泵进行连锁控制。

稀释水输送供应装置的设置充分满足窑炉运行状况以及氨水浓度变化，并考虑100%的备用余量。包含不锈钢计量泵、过滤器、变频器及用于远程监测和控制输送系统压力、流量仪表等设备。

（5）还原剂控制系统P5

用于计量和混合的仪器仪表整合在一个钢柜内。NOx控制仪所要求的必须数量的氨水溶液由氨水管线供应。所需氨水数量由流量计控制、调节阀调节。所需数量稀释水在与氨水溶液混合前由流量计控制、调节阀调节。每个喷射点均由流量计控制，确保分配适当。还原剂混合液的压力由安装的压力计控制。

分配装置采用环型管作为分配主管，用于精确分配到每支喷射器的还原剂和压缩空气的压力及流量，包括电磁阀、调节阀、压力、流量仪表等设备。

每层喷雾层配氨水和压缩空气分配装置各一套。

（6）压缩空气系统P6

采用水泥厂自有压缩空气气源作为还原剂喷射系统和仪用压缩空气气源，通过压力调节和流量控制模块控制空气压力和流量，满足还原剂喷射系统和气动设备需要。

（7）喷射系统P6

还原剂喷射系统采用压缩空气将还原剂雾化喷入高温烟气中。喷枪材质应满足运行工况的要求：喷枪安装在分解炉第二和第三层侧壁上，粉尘浓度高，烟气流速大，烟气温度高，喷嘴宜选用耐高温（1100℃以上）、耐腐蚀、耐磨损的合金产品；喷枪外护套管因与烟气接触，应选用耐磨、耐高温1100℃以上的合金钢材质。喷枪外设风冷套管，采用一次风、二次风（或压缩空气）作为冷却风，确保喷枪在高温环境下正常使用，在高浓度粉尘环境下不堵塞并耐磨损。

安装布置1～2层喷雾层，每层布置3～6根氨水喷枪。

（8）电气及自动控制系统P8

根据脱硝装置运行监控要求，配置完整的仪表和控制系统。

一些SNCR工艺没有设计好，当装置停止使用时，氨水管道就得不到清洗。也有一些厂家由于条件限制和出于对运行成本的考虑，使用自来水代替了软水，这些都会影响到管道的清洁和喷嘴的堵塞程度，进而影响喷射效果。

目前提供SNCR工艺的厂家很多，在工艺上有很多需要相互学习、不断改进的地方。细节决定好坏，也许设计的流程科学，但由于喷嘴安装的位置不一样，脱硝的结果就大相径庭。就即将实施的新标准和目前的脱硝实际情况来看，需要提供SNCR工艺的厂家和水泥企业都重视起来，只有这样，我国的水泥窑SNCR技术才能做到真正意义上的世界技术，水泥窑氮氧化物达标排放才能落到实处