节能降噪深度烟气脱硝系统在5000t/d熟料生产线技术改造中的实践

2022-08-22杨光伟临沂中联水泥有限公司山东临沂277716

水泥工程 2022年2期

刘昕，杨光伟，张波（临沂中联水泥有限公司，山东临沂 277716）

0 引言

随着环境保护工作形势的日益严峻，氮氧化物作为重点管控指标之一，新型干法水泥窑内的烧结温度高，过剩空气量大、氮氧化物排放浓度高且灰量大使其脱硝工程面临着艰巨的挑战。我公司按照环保B级企业管控污染物的排放量，氮氧化物控制浓度为不高于100 mg/m3。脱硝系统采用选择性非催化还原技术SNCR，由于本体氮氧化物含量较高，脱硝系统需要氨水量较大，改造前日均氨水用量为26～30 t，运行成本高，给公司增加了经济负担。且由于脱硝效率低，对收尘设备运行带来较大危害，由于未反应氨水对壳体腐蚀，窑尾袋收尘已出现多处漏点，引发一系列如氧含量浓度高、能耗高等问题。

1 节能降噪深度烟气脱硝系统

本节能降噪深度烟气脱硝系统采用分解炉高强还原燃烧控制技术、窑头窑尾用煤量智能专家优化技术、窑头热成像技术、空气悬浮风机技术，使煤粉在分解炉内全部分解，形成大量的CO、CHi、H2、HCN和固定碳等还原剂，将窑内产生的热力型氮氧化物强力还原成N2。从而大幅度减少窑尾烟气的氮氧化物含量，达到脱硝的目的。

1.1 分解炉高强还原脱硝

节能降噪深度烟气脱硝系统与现行的“分级燃烧”技术有着不同的技术原理，该技术将水泥熟料预热分解加窑头煅烧系统看成一个整体性系统的“全分级燃烧”，即将窑头高温煅烧看做主燃烧，在燃烧过程中形成氮氧化物，将窑尾分解用煤燃烧视作次燃烧，通过次燃烧强力消除氮氧化物。节能降噪深度烟气脱硝系统的窑尾煤粉燃烧形成一个高强还原区，将窑头高温煅烧形成的热力型氮氧化物高效还原。系统工艺方案流程见图1。

图1 深度烟气脱硝系统工艺流程图

该脱硝系统没有分风和分煤工艺，主要方式一是将氮氧化物在燃烧过程中还原脱出，二是提高入窑物料温度和分解率，但不至于形成结皮堵塞而影响系统通风或停产，通过这种方式形成分解炉高强还原燃烧气氛。将C4下料管增加一路分路，将三次风管入炉位置上移，将原2支喷煤管技改为4支新型旋流扩散型分解炉燃烧器，改造燃烧器入炉位置。节能降噪深度烟气脱硝系统改造前后见图2。

图2 改造前后示意图

1.2 窑头窑尾用煤专家智能优化控制

节能降噪深度烟气脱硝系统的控制要点还在于头尾煤用煤控制。通过合理调整分解炉与窑头煅烧用煤比例，安装窑头热成像仪，实时监控窑内煅烧温度。使用数字化设备代替人工看火与中控传统看火镜头，并开发智能专家优化控制系统，通过大数据，在预设条件下实现软件自动调节用煤量，根据窑内火焰温度、窑尾烟室温度、分解炉出口温度、游离钙检测值等参数，在保证窑正常煅烧的前提下，适当降低窑头煤粉用量，且在防止窑头用煤过剩的前提下，减少氮氧化物产生量；在降低头煤的同时，适当增加分解炉用煤比例，保证熟料煅烧所用的最佳热量，确保预热器分解炉不结皮堵塞，同时强化煅烧。

根据热理论计算，当生料达到1100℃以上且在预热器中完全分解时，熟料煅烧固相反应生成的放热量（约434.33kJ/kg熟料）基本可提供物料自身加热至1400℃，且完成C3S的合成和物料部分熔融。单位熟料最终形成热约需要463.6kJ/kg，过程中实际只有43kJ的热量需额外由煤燃烧供给。根据熟料热理论的特点，在做好窑内温度合理控制、窑筒体保温效果好的情况下，窑头用煤可适当降低，以提高窑尾用煤量，降低氮氧化物产生量和增加还原气氛。

2 改造过程

根据公司熟料生产线的窑尾图纸（包含分解炉三次风管、锥体、上升烟道），实际运行参数，煤粉、生料、熟料化学全分析，现行的SNCR控制数据（包含氨水浓度、用量及氮氧化物排放指标），设计节能降噪深度烟气脱硝系统技改方案。

2.1 窑尾煤粉燃烧部分改造过程

2.1.1 窑尾送煤风机

现有窑尾送煤风机为罗茨风机，运行效率低，将其技改为空气悬浮风机，在降低用电量和降低噪音的同时，提高了风量的可调节性，通过转速调节送煤风量和压力，冷风量的降低使氧气的带入量降低，有利于还原区的创建。

2.1.2 窑尾送煤管道

由于窑尾送煤管道从送煤风机到分解炉喷煤点在设计时不合理，中间存在4个90°弯头，导致压损大，风机能耗高，煤粉易堆积。本次改造对煤粉管道路径进行优化，稳定送煤气流，保证送煤量的均匀稳定，有利于分解炉温度环境的稳定，可获得均匀稳定的氮氧化物还原区。本次改造管道路径优化如下：

（1）尾煤出口第一个弯头在熟料冷却机西边把角度进行调整改变送煤管道的路径；

（2）顺沿三次风管方向直接入预热器分解炉，这样与原来相比减少三个90°弯头；

（3）在分解炉入口处增加各分支管道调节阀门，为了使煤粉均衡进入分解炉充分燃烧。

通过对系统的测算，现有送煤管道的直径无法满足要求。为获得最佳的气固比，将窑尾主路管道由Φ220mm改为Φ273mm（内径Φ257mm），一分二路送煤管道由Φ189 mm改为Φ203 mm（内径Φ 187 mm），增加二分四路送煤管道，送煤管路直径为152 mm（内径Φ136mm）。

2.1.3 煤粉燃烧器改造

将原两支窑尾喷煤管技改为四支新型旋流扩散型分解炉燃烧器。燃烧器能保证煤粉喷射的旋流扩散效果，使煤粉迅速扩散，均匀混合。

2.1.4 窑尾分解炉燃烧器安装位置技改

为降低窑尾过剩空气氧含量,为窑尾还原区建立提供条件，同时降低冷空气入炉量，窑尾燃烧器喷入分解炉锥部的煤粉经不完全燃烧提供还原介质，在烟室与三次风管之间建立还原区。对公司分解炉规格型号、烟室缩口尺寸及煤粉特点进行计算和分析，将四个窑尾分解炉燃烧器安装在分解炉锥体底部天圆地方上部150cm位置，此位置将煤粉经分煤器、输煤管道进入改造后的四支燃烧器，喷入分解炉锥部，每支燃烧器输送管道设有手动调节阀。

2.2 C4下料管部分技改过程

为了将相对低温物料下移，吸收还原区高温，凝聚窑气中析出的碱硫等有害成分，防止结皮的发生，将现有C4落料点进行改造，将上部落料点技改到三次风管上部，使物料在炉内分散均匀。为有效利用三次风的带料能力，通过C4入口位置的调整为物料在分解炉中提供稳定的分解反应环境，将C4下料管下部入口调整至分解炉锥体部位。对现有撒料箱进行技改，由固定式撒料箱技改为可调节式撒料箱。保证在煤粉起燃后与生料混合均匀，保证不塌料。

2.3 三次风管技改过程

为了创建还原区，需对三次风管入炉位置进行改造。将原三次风管闸板阀与分解炉之间的管路拆除，将原三次风进口处封闭，原膨胀节备用。在分解炉锥体上方柱体处向上开挖新三次风通道，重新制作三次风管，连接分解炉上新开通道和膨胀节，形成新的三次风通道。相应加大新加三次风管角度。确保窑气在还原区存在0.5s以上。优化原三次风管的进风方式及尺寸，以防止存在急弯而产生积料。

2.4 结皮的预防与处理

（1）在每根煤管中心平行的侧面制作200mm×300mm尺寸的捅料孔，以在必要时候清理煤管上部凝聚的粘结物。

（2）在C4撒料箱下部入口处制作直径150mm的人孔门，以在必要时候清理撒料板周围的积料，防止堵塞。

（3）通过改造煤管的喷入角度，控制煤粉燃烧的区域，可有效的缓解系统结皮。

3 技改项目应用效果

节能降噪烟气脱硝系统将窑尾送煤风机技改为空气悬浮风机，技改前后运行参数对比见表1。

表1 窑尾送煤风机技改前后对比

系统技改后，在氮氧化物排放浓度和窑产量控制指标没有变化的条件下，实现了氨水用量降低，减少了氨逃逸，对生产线产生了正向的效果，前后对比见表2。该项目实施后，主要产生的效益如下：

表2 主要工艺参数技改前后对比

（1）脱硝效果得到提升。改造后，保证氮氧化物实际控制指标在100 mg/m3以内，同时可实现在系统稳定运行，在所使用原煤成分及进厂氨水浓度不变情况下，氮氧化物实际控制指标在100 mg/m3以内，保证吨熟料氨水用量不高于4 kg。

节能降噪深度烟气脱硝系统技术改造对熟料产量、质量无影响，控制氮氧化物浓度为100mg/m3情况下，改造前氨水用量30t。改造后，SNCR脱硝氨水用量每小时降低540 L，每天节约氨水用量为12.05t，按照每年生产时间210天计算每年节约氨水2531t。每吨氨水进厂价格为660元，则年节约氨水成本为167.06万元/年。

（2）熟料生产能耗降低。本设计改造将对送煤管道进行更换，更换后实际送煤冷风量将减少40%以上，且改造后氨水用量大幅减少，综合作用有利于烧成煤耗的降低。改造后尾煤送煤风机使用频率将进一步减小，送煤风机电机实际功率将低于目前水平。经计算，窑尾送煤风机每天可节约用电量1608 kWh，折算为吨熟料电耗为0.29 kWh/t。按照年产120万t熟料计算，可节约用电量34.8万kWh，按照电费0.6元/kWh计算，每年节约电费20.88万元。

（3）其它影响。本设计改造按照有利于提升熟料产质量的方向进行，改造过程中将对系统可能存在的问题一并处理，优化熟料煅烧工艺参数，保证实际改造运行后对熟料生产的产质量无负面影响，即熟料产质量均不低于现有平均水平。

随着大气污染治理的形势加剧，氮氧化物化合物控制指标进一步降低，单靠SNCR技术，氨水用量将大幅增加，因氨水用量增加致使分解炉发生爆炸的隐患也随之增加，通过本系统的改造，同一控制指标下，氨水的用量将大幅降低，排除了系统安全稳定运行存在的隐患。氨逃逸浓度实现下降，对窑尾袋收尘壳体的腐蚀强度下降，保证系统的收尘效率，降低尾排风机的用能浪费，降低了生料粉磨电耗。