燃烧无烟煤水泥熟料生产线高效SNCR应用实例

桑圣欢，闫伟，罗超，吴涛，胡正夏

1 前言

2021年11月，工信部印发了《“十四五”工业绿色发展规划》，要求逐步实施水泥行业超低排放改造，实施水泥行业脱硫、脱硝、除尘超低排放。在生态环境部发布的《重污染天气重点行业应急减排措施指定技术指南（2020年修订版）》中也明确要求，环境评级A 级企业必须达到超低排放标准，即：粉尘、二氧化硫、氮氧化物排放量分别≯10mg/m³、35mg/m³、50mg/m³。水泥行业是NOX第三大排放源，升级环保技术、优化生产流程、降低NOX排放，是水泥企业可持续发展的必经之路。

目前，SNCR 脱硝技术是水泥行业较为成熟且经济的烟气脱硝技术，SNCR 脱硝技术是在没有催化剂的情况下，将氨基的还原剂喷入到分解炉和预热器温度为850℃～1 100℃的区域，与氮氧化物发生还原反应，生成氮气和水，以脱除NOX，目前选用最多的还原剂是氨水。SNCR脱硝反应效率及氨水利用率受反应温度、粉尘浓度、烟气成分、氨水停留时间、氨水喷枪位置及型式等因素的影响。SNCR脱硝技术具有投资少、运行费用低、建设周期短等优点，但同时也存在氨逃逸二次污染及与二氧化硫反应生成硫酸盐造成设备腐蚀等缺陷。

传统的SNCR 技术脱硝效率仅约60%[1]，脱硝效率较低，将会直接增加氨的逃逸量，对下游风机、管道、袋收尘器等设备造成严重腐蚀。高效SNCR脱硝技术作为传统SNCR脱硝技术的升级，实施后脱硝效率可达75%以上。

2 高效SNCR 脱硝系统设计

T 水泥厂有一条5 000t/d 水泥熟料生产线，投料量350t/h，100%燃用无烟煤，NOX初始排放浓度约900mg/Nm3，分解炉出口CO浓度较高，应用高效SNCR 脱硝技术后，以较低的还原剂使用成本，获得较高的NOX还原效率，脱硝效率可达75%以上。T 水泥厂高效SNCR 脱硝系统工艺流程如图1所示。

图1 T水泥厂高效SNCR脱硝系统工艺流程

2.1 应用新型氨水喷射器，加速氨水与NOX 的混合

鉴于分解炉燃烧过程的动态特性，分解炉炉膛温度在短时间内会迅速变化，为保证脱硝效果，须在炉膛的不同高度处安装新型氨水喷射器（亦称为喷枪），以保证在适当的温度处喷入脱硝反应剂。

应用新型氨水喷射器，使用压缩空气（可达0.55MPa）作为雾化介质，将氨水喷入烟气中，形成的氨水雾滴具有合理的液滴尺寸、分布和穿透性，有效促进了氨水与烟气中NOX的接触和混合。

2.2 建立智能控制模型，动态调控烧成系统不同温度区间的喷氨量

建立智能控制模型，准确判断烧成系统不同工况下的温度区间分布，依托智能控制系统控制阀组，动态调控不同温度区间的喷氨量，合理分配不同位置喷枪的氨水喷射量，使处于最佳反应温度区间的喷枪高效运行，降低氨水用量，实现节能降耗。高效SNCR智能控制模型及中控画面如图2所示。

图2 高效SNCR智能控制模型及中控画面

2.3 测试喷枪脱硝效果，确定最佳喷射点

SNCR 车间内设有2 个40m3的氨水卧式储罐，氨水质量浓度为20%，由加压泵站（1 用1 备）输送氨水至氨水流量分配阀组，再由分配阀组将压缩空气和氨水配送至各个喷枪，最终喷入分解炉和预热器进行脱硝。高效SNCR 脱硝系统喷枪安装位置及喷射点位置见表1，共18个喷射点可供选择。经现场调试，最终确定了8个最佳喷射点。

表1 高效SNCR 脱硝系统喷枪安装位置及喷射点位置

2.3.1 测试不同层喷枪脱硝效果

测试脱硝前以及分解炉出口、鹅颈管顶部、鹅颈管中部、C6 出口等部位使用氨水喷枪后的NOX浓度，温度区间为850℃～880℃，氨水总喷射量1 200L/h，每层氨水喷射量相同，共测试两次，测试过程中，氨逃逸≤10mg/Nm3@（10%O2）。脱硝前NOX浓度分别为848.1mg/Nm3、935.89mg/Nm3；分解炉出口氨水喷枪脱硝后NOX分别为750.59mg/Nm3、860.36mg/Nm3；鹅颈管顶部氨水喷枪脱硝后NOX分别为600.12mg/Nm3、640.32mg/Nm3；鹅颈管中部氨水喷枪脱硝后NOX分别为370mg/Nm3、388mg/Nm3；C6 出口氨水喷枪脱硝后NOX分别为214mg/Nm3、225mg/Nm3。通过以上测试数据计算每层喷枪的脱硝效果。不同层喷枪脱硝效果测试数据如表2所示。

表2 不同层喷枪脱硝效果测试数据

由测试结果计算可知，分解炉出口喷枪脱硝效果最差，脱硝效率仅为11.5%，C6 出口喷枪脱硝效果最好，脱硝效率约42%。上述测试基于脱硝阶段没有再生成NOX，测试结果与李强等[2]研究结果一致。经收尘后的C6 旋风筒本体粉尘浓度降低约90%，CO 浓度较分解炉、鹅颈管处大大降低，可以提高SNCR脱硝效率及氨水利用效率，同时在C6处氨水与烟气的混合时间＞1.5s，分解炉和鹅颈管处氨水和烟气的反应混合时间约1s，C6处SNCR脱硝效率最高。

2.3.2 确定喷枪脱硝最佳喷射点

在氨水用量相等、产量稳定的条件下测试喷枪最佳喷射点。保证8支喷枪流量均分，通过智能软件关闭单支喷枪，在分解炉出口、鹅颈管顶部、鹅颈管中部选取高效SNCR脱硝最佳喷射点；同时开启C6进出口喷枪，对C6进、出口喷枪性能进行测试。测试过程中，氨水总用量保持1 200L/h 不变，氨逃逸＜10mg/Nm3@（10%O2），脱硝最佳喷射点测试数据见表3。

表3 脱硝最佳喷射点测试数据

由表3数据可知，以等量喷氨水及单位氨水脱除的NOX总量为判别依据，各层中CUA1、CUB1、CDA1、CDB2、CDB3、CDB4、C6A3、C6B3 喷射点脱硝效果相对较好，为各层最佳喷射点。

3 燃烧无烟煤与燃烧烟煤的脱硝效率对比

燃烧无烟煤的水泥熟料生产线，传统SNCR 脱硝效率仅为60%，高效SNCR 脱硝效率约75%，而燃烧烟煤的水泥熟料生产线，高效SNCR脱硝效率＞80%。燃烧无烟煤的水泥厂NOX初始浓度约900mg/Nm3，而目前燃烧烟煤的水泥厂NOX初始浓度仅为500～600mg/Nm3，这与无烟煤挥发分低、脱硝效果差有直接关系。

欧阳子区[3]研究表明，热生料中CaO对N2的生成有强烈的促进作用，Ca促进燃料中N在煤焦表面发生分解和还原反应，从而导致燃料中N 向N2转化的转化率提高；CaO 与芳香结构中的N 原子结合，生成CaCxCy形式的中间态化合物，这种中间态化合物再分解析出N2和CaCz；Ca 对燃烧低阶烟煤NOX的减排有明显的促进作用，当煤种为无烟煤时，Ca对NOX减排基本没有影响；烟煤在预热过程中，Ca对煤中N向N2转化的促进作用更明显，烟煤中富含-COOH基团，这种基团使Fe和Ca等矿物质在烟煤中能以离子交换状态存在，这种处于离子交换状态的金属物质是催化热解过程中燃料N 向N2转化的必要条件；而对于高阶无烟煤，Ca离子主要附着在颗粒表面，预热过程中以较大尺寸颗粒形式存在，在煤中的分布均匀性较差，变迁特性也不如细颗粒；再者，无烟煤中碳和N的活性较烟煤差，无烟煤中燃料N的反应惰性也是导致Ca对燃料N向N2转化影响较小的原因之一，这也是燃烧无烟煤的熟料生产线NOX初始浓度较高的原因之一。

T 水泥厂高效SNCR 脱硝效果相对较差，这与燃烧无烟煤的水泥熟料生产线氨水喷射区域CO浓度偏高有关，在调试过程中发现，燃烧无烟煤的T 水泥厂分解炉出口CO 浓度约1 000ppm，而燃烧烟煤的水泥厂分解炉出口CO浓度仅约200ppm；高温烟气中生成的OH 自由基可以促进生成NH2，NH2与NOX反应生成N2，但同时OH 自由基也可将CO 氧化为CO2，CO 氧化过程和脱硝还原反应存在竞争反应，这是CO 浓度影响SNCR 脱硝效率的本质原因。吕洪坤[4]等人的研究表明，当氨氮比为1.5、氧含量4%时，在不同CO 与还原剂含量比值下，经处理后反应器出口CO浓度增加，最佳脱硝反应温度持续向低温方向移动，同时最佳脱硝反应温度下的最大脱硝效率呈下降趋势。每一个给定的CO 含量，都有一个使出口NOX排放最低的反应温度，即最佳反应温度。CO 浓度约1 000ppm 时，SNCR 最佳反应温度降低约75℃，CO 浓度的增加，降低了SNCR脱硝效率，这也是燃烧无烟煤的水泥熟料生产线高效SNCR 脱硝效率低于燃烧烟煤的水泥熟料生产线的原因。

4 结语

通过在分解炉炉膛不同高度设置新型氨水喷射器，将氨水雾滴喷入烟气，加速氨水与NOX的混合；建立智能控制模型，动态调整不同温度区间的喷氨量，降低喷氨总量；测试不同层喷枪脱硝效果，确定C6进出口喷枪脱硝为最佳喷射点等，T水泥厂高效SNCR 脱硝效率可达75%。受制于无烟煤挥发分低、自脱硝效果差，若T 水泥厂将燃烧无烟煤调整为燃烧烟煤，则脱硝效率可进一步提升。