水泥窑炉SNCR脱硝技术

水泥窑炉SNCR脱硝技术

作者：徐忠俊

单位：江苏紫光吉地达环境科技股份有限公司

来源：发布日期：2012/11/7

1. 国内水泥厂脱硝的基本状况

“十二五”期间我国氮氧化物排放总量要求达到减排10％的目标，这就需要加大对电力、水泥、冶金等行业产生的氮氧化物进行控制。水泥行业氮氧化物的排放量占全国工业排放总量的15%左右，已是居火力发电、汽车尾气之后的第三大氮氧化物排放大户。工信部582号文件关于水泥工业节能减排的指导意见，提出了具体的量化目标：到“十二五”末，氮氧化物在2009年的基础上降低25%。同时指出，新建或改扩建水泥（熟料）生产线项目必须配置脱硝装置，且脱硝效率不低于60%。因此，探讨水泥行业最佳可行的脱硝技术显得尤为迫切。

目前，新型干法水泥回转窑上常用的NOx控制技术主要有以下几种：一是优化窑和分解炉的燃烧制度；二是改变配料方案，掺用矿化剂以求降低熟料烧成温度和时间，改进熟料易烧性；三是采用低NOx的燃烧器；四是在窑尾分解炉和管道中的阶段燃烧技术。然而，即使把上述四种措施全部采用起来，事实上水泥窑的NOx排放也很难达到400mg/Nm3以下。采用选择性非催化还原（SNCR）脱硝法或选择性催化还原（SCR）脱硝法进一步降低NOx排放的措施是一个非常有效的降低NOx排放的途径。本文主要讨论关于SNCR选择非催化还原脱硝技术在水泥厂的运用。各控制技术的脱硝效率如下表所示：

由于SCR操作温度窗口和含尘量的特殊要求，在国内外水泥生产线上极少使用，主要原因为：（1）出C1的烟气通常用于余热发电，出余热发电系统的烟气温度无法满足SCR 的温度要求；（2）窑尾框架周边基本上没有布置SCR催化剂框架的空间；（3）出C1的烟气中高浓度粉尘及其有害元素易造成催化剂破损和失效；（4）一次性投资大；烟气通过催化剂的阻力增大了窑系统的阻力；（5）催化剂每三年需要更换，运行成本高。

2. SNCR（选择性非催化还原法）脱硝技术

2.1 SNCR脱硝原理

将氨水（质量浓度25%～30%），通过雾化喷射系统直接喷入窑炉合适温度区域-旋风分离器（760~950℃），雾化后的氨与NOx（NO、NO2 等混合物）进行选择性非催化还原反应，将NOx转化成无污染的N2。当反应区温度过低时，反应效率会降低；当反应区温度过高时，氨会直接被氧化成N2和NO。喷氨后炉内发生的化学反应有：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

2NO2+4NH3 +O2→3N2+6H2O

为了提高脱NOx的效率并实现NH3的逃逸最小化，满足以下条件：在氨水喷入的位置没有火焰；在反应区域维持合适的温度范围（760~950℃）；在反应区域有足够的停留时间（至少1秒以上，～850℃）。

2.2 SNCR脱硝工艺流程说明

（1）反应剂的接收和储存

采用氨作吸收剂时，既可用液氨，也可用氨水。液氨在常温下呈气态，必须在压力容器中运输和储存，有较高的安全要求。氨水一般形式为29.49%的水溶液。由于大于28%的氨水的储运需获得许可，所以近年来大多在SNCR系统中采用25%左右的氨水。但在降低氨水浓度的同时，增加了所需的储存空间。氨水喷入分离器后，要比液氨消耗更多的蒸发热量。

（2）吸收剂的稀释、计量与混合

稀释水压力控制模块（DWP）的典型设计由2台全流量的多级不锈钢离心泵，一组双联过滤器、压力控制阀和压力/流量仪表等组成。供反应器稀释用的工艺水中总固形物要低，过滤后水中悬浮物应低于50mg/L。

（3）反应剂喷入的测量

喷射区测量( IZM) 模块是用来测量每个喷射区喷入的反应剂浓度和流量。氨水喷入前必须用来自EWP模块的过滤水将32%的氨水溶液稀释到25%左右。每个IZM 模块包括1 台化学计量泵、1台水泵、1 个管道静态混合器和1 个现场控制盘、区段隔离阀和流量计、控制阀等。IZM模块通常设计成含有与中央控制模块和局地顺序逻辑控制(PLC)f等控

制系统相响应的化学反应剂的流量和区段压力阀。通过该控制系统IZM 模块，可随出口NOx 浓度、负荷、燃料质量等变化来调整反应剂加入量和反应活性。根据容量、处理前后NOx浓度和所要求的NOx去除率，氨水SNCR系统一般可采用1～5组IZM模块，并联合安装在一个滑动底板上。

（4）反应剂的分配和喷入部位

混匀的氨水稀释液从IZM 模块输送到装在临近的分配模块上。每个分配模块由流量计、平衡阀和与自动控制系统连接的调节器组成。控制系统能精确地控制流入每个喷射器的反应剂量和雾化空气或蒸汽流量。分配模块也包括为控制喷入过程用的手动阀、压力表和不锈钢连接管等。供反应剂至多个喷射器的每个IZM模块只设1 个分配模块。

对于大容量要将多个喷射器安装在工业窑炉的几个不同部位，且能通过IZM 模块进行独立操作或联合操作。应对反应剂喷入量和喷入部位进行控制，使SNCR系统对工业窑炉负荷变动和维持氨的逃逸量具有可操作性。喷射区数量和部位由工业窑炉的温度场和流场来确定。应用流场和化学反应的数值模拟来优化喷射部位。典型的设计是设二层或多层喷射区，每个区设及几个喷射器。本项目喷射器布置在工业窑炉旋风分离器区域。

（5）反应剂与烟气的混合

喷射器有墙式和枪式2种类型。墙式喷射器在特定部位插入工业窑炉内墙，一般每个喷射部位设置1个喷嘴。墙式喷嘴应用于短程喷射就能使反应剂与烟气达到均匀混合的小型工业窑炉和尿素SNCR系统。由于墙式喷嘴不直接暴露于高温烟气中，其使用寿命要比喷枪式长。

枪式喷射器由1根细管和喷嘴组成，可将其从炉墙深入到烟流中。喷枪一般应用于烟气与反应剂难于混合的氨喷SNCR系统和大容量工业窑炉。在某些设计中喷枪可延伸到工业窑炉整个断面。喷枪可按单个喷嘴或多个喷嘴设计。后者的设计较为复杂，因此，要比单个喷嘴的喷枪和墙式喷嘴价格贵些。因喷射器忍受着高温和烟气的冲击，易遭受侵蚀、腐蚀和结构破坏，因此，喷射器一般用不锈钢制造，且设计成可更换的。除此以，喷射器常用空气、蒸汽和水进行冷却。为使喷射器最少地暴露于高温烟气中，喷枪式喷射器和一些墙式喷嘴也可设计成可伸缩的。当遇到工业窑炉启动、停运、季节性运行或一些其他原因SNCR 需停运时，可将喷射器退出运行。

反应剂用专门设计的喷嘴在有压下喷射，以获得最佳尺寸和分布的液滴。用喷射角和速度控制反应剂轨迹，氨喷系统常通过双流体喷嘴用载体流，如空气或蒸汽，与反应剂一起喷射。有高能和低能两种喷射系统。低能喷射系统利用较少和较低压力的空气，而高能系统需