窑尾脱硝降氮改造措施的应用

刘芬静，汪峰峰（文县祁连山水泥有限公司，甘肃 陇南 746408）

关键字：水泥企业；氮氧化物；氨水；喷枪；分级燃烧；自动控制

0 前言

文县祁连山水泥有限公司2500t/d新型干法熟料水泥生产线，采用带分解炉的单系列五级旋风预热器，分解炉采用柱体加鹅颈管形式，窑头采用郑州奥通的高动压低流量的低氮燃烧器。公司水泥窑脱硝治理项目于2014年6月完成施工，并通过当地环保部门的验收。该工程采用国内外最先进的选择性非催化还原（SNCR）烟气脱硝技术，主要使用20%左右浓度的氨水与烟气中的氮氧化物混合来降低氮氧化物。随着水泥窑煅烧火力不断增强，产生的NOx增多，窑尾降低NOx措施中未设计窑尾分级燃烧技术，吨熟料氨水消耗2.3kg/t以上，2020年初通过公司管理人员结合公司实际工况对脱硝系统进行了优化改造，吨熟料氨水降低1.1kg，节氨效果较好。

1 SNCR原理与原有系统问题分析

水泥企业NOx的治理方法主要是根据燃烧过程的特点来设计的，所以NOx的控制技术可分为三大类分别为：燃烧前、燃烧中、燃烧后的控制技术，其中水泥企业主要依靠燃烧中和燃烧后的控制措施。

SNCR脱硝技术即选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction，以下简写为SNCR）技术，是一种不用催化剂，在850～1100℃的温度范围内，将还原剂（如氨水、尿素溶液等）喷入炉内，将烟气中的NOx还原脱除，生成氮气和水的清洁脱硝技术。在合适的温度区域，且氨水作为还原剂时，其反应方程式为：4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O。当反应温度过高时，由于氨的分解会使NOx还原率降低；反应温度过低时，氨的逃逸增加，也会使NOx还原率降低。SNCR烟气脱硝工艺技术的关键点，在于还原剂喷入系统必须尽可能地将还原剂喷入到炉内最有效温度窗区域内，尽可能的保障喷入还原剂的利用率。我公司原脱硝SNCR系统，共有6根喷枪，喷枪位置在预热器分解炉鹅颈管入口，在运行中存在氨水消耗量大、效率低等问题。

因氨水消耗量大，通过与脱硝厂家技术交流，结合现场实际运行工况，确定我公司脱硝效率低主要有以下4个原因：

（1）原分解炉喷枪位置不合理。分解炉鹅颈管内粉尘浓度和CO浓度较高，氨水喷入后雾化靠近内壁，部分氨水迅速被飞灰吸附，且氨水还原NOx反应的过程受CO浓度影响，氨水利用率低，影响脱硝效率。

（2）氨水喷枪采用的喷头雾化差，喷枪穿透力不够，喷射距离不足，脱硝效率低。在氨水喷入烟道内后，实际喷射距离不足1m，导致喷出的氨水无法完全覆盖水平烟道横截面，氨水利用率不高，影响脱硝效率。

（3）水泥窑系统煅烧火力增强，产生的NOx增加，窑尾未实施分级燃烧，氨水消耗较高。

（4）脱硝控制系统自动化程度低。原SNCR控制系统为人工调节喷氨量，导致在NOx变化剧烈的情况下，操作员大幅度的调整氨水用量，存在人工控制滞后性，且为了维持氮氧化物排放不超标，将氮氧化物排放值长期控制在300×10-6以下，这样就造成氨水使用量增加。

2 降氮措施

2.1 优化脱硝氨水喷枪的位置，提高脱硝效率

预热器五级锥部具有适宜的反应温度（850～950℃）时间和烟气经过锥部气料分离后较低的粉尘浓度，脱硝的效率较粉尘浓度大的分解炉鹅颈管和五级出口要高。因此，将原脱硝喷枪的位置分解炉鹅颈管入口改到五级锥部平台，在五级锥部设置6组喷枪，按照圆周方向等分布置，相邻两根喷枪上下交错高差0.5m，插入深度1.5～1.7m，（见图1）保持水平入内，确保无死角，可以避免相邻的喷枪喷出的氨水扇面发生碰撞，造成雾化后的氨水颗粒再次聚集和分布不均；喷枪喷出面积可覆盖五级旋风筒锥部的截面，使氨水和NOx高度混合。

图1 现场改造后喷枪位置

2.2 选用新型双流体脱硝专用喷枪

新型双流体脱硝专用喷枪（见图2），脱硝喷枪的液、气介质独立接入，脱硝溶液和压缩空气在喷枪内部进行混合，在喷射时高效雾化，气液比小，节能显著；雾滴粒径细密均匀，喷雾穿透性强、覆盖面大，能充分保障脱硝溶液与烟气混合充分；喷枪液、气接管采用快拆式接头，安装简单方便。具体的技术参数及特点如下：

图2 新型双流体脱硝专用喷枪结构

（1）脱硝喷枪数量6套，喷枪直径20mm、喷枪长度2200mm。

（2）喷枪、喷头材质为310S4，该材质具有耐高温（最高耐热温度1400℃）、耐磨损的特性，快捷套筒直径50mm、长度40cm。

（3）雾化：一字扣雾化，流量40～600L/h，压力：氨水：0.4MPa 气：0.5MPa。

（4）雾化颗粒：35～70μm ，软管长度：3000mm，雾化角度：30～90°，雾场半径：500～1000mm。

（5）喷射距离：3～5m，液滴出口流速：40m/s，工作温度：850～1200℃，运行周期：10000h。

（6）喷枪具有停用防堵功能，确保喷头在高温、高浓度粉尘、复杂的气流环境中，不致堵塞；具有快装、检修拆卸方便的功能，工作运行更安全可靠。

2.3 增加分级燃烧，降低氮氧化物NOx

原理：将水泥窑系统尾煤引一路到烟室上方合适位置喂入，因水泥窑窑尾烟气是贫氧状态（烟气中O2含量在1%左右），加入煤粉后，在烟室至分解炉的锥部形成还原区，将窑内产生的NOx进行还原，脱硝效果取决于窑尾烟气在还原区的停留时间。

具体方案：喷煤主管道上安装一分三的煤粉分配器，各分路管道上安装闸阀，保留原分解炉锥部的喷煤点位置，新增喷煤点位置在分解炉缩口上方600mm，喷煤点的燃烧器水平插入深度150mm，对接点利用法兰连接，连接管道采用高压钢丝软管。为提高煤粉的分散效果，避免新增煤粉打到对面炉壁上，造成结皮，为此在喷煤点燃烧器头部加装定位旋流块（见图3），原两路喷煤点的闸阀开度100%，新增喷煤点运行后通过不断调试使用目前闸阀开度30%左右，实现了分级燃烧节省氨水用量的效果。

图3 喷煤点燃烧器头部加装自制定位旋流块

2.4 增加自动调节喷氨系统

智能脱硝控制系统已经在国内多家水泥厂投入运行。智能控制系统通过其内置的强大算法，可以大幅提高生产过程中关键变量的稳定性，经长期运行验证，与手动控制相比，智能控制系统脱硝控制器能够有效降低烟囱出口氮氧化物浓度波动范围，在氮氧化物浓度达标的前提下，降低吨熟料氨水用量。

增加1套XZK-1型脱硝自动调节升级模块和操作界面，将在线监测的氮氧化物数值接入，将模块的输出接到控制氨水喷量的变频器或调节阀上，对原脱硝系统进行调节，通过控制NOx浓度值，自动调整氨水喷射泵的频率，确保小时NOx浓度值在合理范围，控制精度和适应性都大大提高，达到节氨效果。

3 实施后的经济和社会效益

通过本次对烟气脱硝系统分层次的改造，投入少，效果较好，大大提高了SNCR脱硝的效率，降低了氨水消耗，改造前后系统参数见表1。

表1 改造前后系统参数

按年熟料生产80万t计算，吨熟料氨水降低1.1 kg，可节约880t氨水，氨水无税价876.1元/t，每年节约成本77万元，脱硝效率提高。

4 结语

通过以上脱硝系统的优化改造，打破了常规SNCR工艺在分解炉鹅颈管入口或五级出口安装喷枪的理论，在脱硝效率上有较大提升，且喷枪重新布点后，运行稳定，脱硝效果好；结合系统特点设计应用分级燃烧；采用自动化控制取代人工控制，大幅度降低中控操作人员的劳动强度，将操作人员从日常繁杂的简单操作中解放出来，从“操作员”的层面转化为“监督者/优化者”的角色。对水泥企业而言，这意味着热工制度的稳定，进一步意味着资源和能源浪费减少、产品质量提高和设备运转率提高。

在窑尾烟气脱硝技术应用上建议关注原燃料中氮的含量，氨水喷枪布置上需根据自身预热器特征和实际燃烧情况，合理优化布置喷枪位置数量，不能一味按照常规位置布置。