摘 要：JY公司由于熟料产量由原设计4800t/d增加至5800td，系统NO，排放本体浓度增大，而原有脱硝系统使用时间久，设备老化，喷枪位置不合理，喷枪结皮严重，雾化差等，在满足NO，环保排放指标达到280mg/m³以下时，吨熟料氨水用量在2.6kg/t。采用 WIS-HeSNCR精准脱硝系统、运用智能优化控制技术对生产线进行改造，同等条件下，单位熟料氨水用量降至2.02kg/t。

关键字：WIS-HeSNCR；精准脱硝；2RF5/5000；水泥窑；环保排放

0 前言

2013年以来水泥行业已成为继电力、机动车和工业锅炉之后的第三大氮氧化物排放源。目前脱硝技术主要有：SNCR法、SCR法和尿素湿法等，而水泥窑内NOx的量与其形成机理、位置和烟气组成等因素均有关，现SNCR法脱硝是目前控制NOx排放的最经济有效的方法。然而，即便如此SNCR法脱硝的效果并不理想，其脱硝效率一般在70%以下5。因此也有不少企业两种脱硝技术共同使用，往往达到效果会大于一种。水泥行业已成为中国能源、资源消耗及环境污染的大户，也是NOx的主要污染源来源之一(达10%的NOx排放量)，其减排形势十分严峻。为了更好地控制水泥行业的污染物排放，全国各地各区对大气污染物都有不同控制指标，尤其是NOx排放浓度提出了更高的要求，有些地区NOx排放浓度必须小于100mg/m³，甚至50mg/m³。

目前，国内已有部分水泥企业的NOx量控制在100mg/m³以下，少数水泥企业NOx排放量控制在50mg/m³以下，由于受自身烧成系统工况的影响，不能长期稳定在50mg/m³以下。JY公司原有传统脱硝系统已经运行多年，现场仪器仪表都能正常使用，但设备受氨水腐蚀严重老化，氨水喷枪结皮严重，其氨水雾化效果不理想，水泥窑排放NOx在未技改之前，还没达到环保绩效B级排放限值。为实现水泥工厂NOx排放浓度达到地区的环保标准，本着国企对地区环境负责并起到引领作用，工厂采用非催化还原脱硝技术(SNCR)对传统脱硝技术进行改造，高效脱硝技术(PiT-heSNCR)将减少脱硝介质氨水的消耗，从而减少脱硝成本、设备腐蚀、氨逃逸。

1 SNCR精准脱硝技术改造

1.1 预热器2RF5/5000介绍

我公司预热器系统由双系列窑尾预热器和在线管道分解炉构成，其主要技术参数见表1。

1.2 SNCR精准脱硝技术

SNCR精准脱硝技术是在常规SNCR脱硝技术的基础上，在分解炉和预热器的不同位置分层布置脱硝喷枪。依托SNCR专家系统对烧成系统不同工况下温度分布的准确判断，利用脱硝控制阀组，实现不同温度浓度区间喷入氨水量的动态调节，使脱硝系统的效率最高，从而降低氨水用量；脱硝效率达到80%～90%。高效脱硝系统通过软件算法计算出每种特定工况下最佳的氨水分配和总的喷射流量，由脱硝喷射执行器控制所有阀门来分配氨水。同时计算结果和控制器的状态信息显示在客户端(中控室电脑)的屏幕上。

1.3 SNCR系统安装

1.3.1 管道安装

安装压缩空气管道，铺设氨水泵到分配单元以及分配单元到喷枪的氨水管道。安装4～7层支路管道和半支路管道，增加管卡固定阀，见图1。

(1)分配装置用压缩空气压力需要大于0.5 MPa，由预热器二层单独空压机提供，并做旁通备用接口，预热器主压缩气管网做备用气。

(2)分配装置入口氨水压力+0.65 MPa，压力最大波动范围±0.05 MPa。由 DCS控制氨水罐区的主氨水泵、备用氨水泵。通过分配装置反馈的氨水压力(阀组到窑尾 DCS柜)进行PID控制调节。

(3)分配装置使用的氨水由氨水房供应，通过主氨水泵或者备用氨水泵高压输送到预热器，本系统氨水主管从泵组出口用DN32管直接与分配装置连通，所以氨水主管走向为氨水房到预热器6层分配装置。

1.3.2 高质量控制单元

SNCR精准脱硝系统集成度高，应用达到“三高”要求的进口测量仪器和控制阀门，所有部件都组成了一个整体，便于现场安装和维护。

1.3.3 空压机站安装

安装压缩空气储气罐(含冷干机、过滤器)并制作旁路，储气罐设计压力0.8MPa，温度110℃，日常使用压力约0.4MPa。空压机型号为DAV-30/8，排气量6.3m3/min，排气压力 0.3 MPa，功率 30kW。

1.3.4 高效喷枪

喷枪使用的是双流体气力雾化喷嘴，采用了特殊设计的内混合室。根据拉瓦尔原理，将气液混合物加速至超声速，同时产生极细小的雾滴，并具有较宽的调节比，雾化颗粒直径能够达到30～90mm。气液比对雾滴尺寸具有重大影响，可根据现场工况，将雾滴尺寸调节至特定需求。对于不同的液体喷射量，可以相应地改变雾滴大小。通过在喷枪上加装保护管和气体保护套，可保护喷嘴免受高温和腐蚀影响。尤其是在间断运行的状态下，喷嘴不会堵塞，具有 100%的运行可靠性。

安装时在预热器旋风筒用氧割和水钻开孔，分别在 4～7 层共开设Ф89 mm圆孔2个和Ф76mm圆孔20个，Ф89 mm 圆孔为长喷枪使用，Ф76mm圆孔为短喷枪使用，且外侧用法兰焊接，喷枪上有风管和氨水管两个接口，均通过钢丝软管连接安装。

1.3.5 设计控制系统

SNCR精准脱硝系统相较于简单脱硝系统有着明显的不同，整个系统的控制设计有两个核心模块，分别为预测系统和氨水分配系统(如图1)。预测系统用于预测未来 3～4min的氮氧化物的排放情况，指导系统进行脱硝最佳位置判断和氨水用量判断；氨水分配系统用于决定使用哪些喷枪进行脱硝作业以达到最佳的脱硝效果。在中控可以直接进行手动调节和自动调节两种模式，一般情况使用自动控制，操作人员只需输入控制NOx排放值，系统自动调节每个喷枪阀门开度和氨水用量，减轻操作员负担；如遇特殊情况，可以随时切换至手动调节。

1.4 SNCR精准脱硝改造目标

当工况满足C1预热器出口O₂含量(%)≥1.5%；C1预热器出口 CO含量(%)≤0.08%时：

(1)氮氧化物排放小时均值≤100mg/m³；

(2)当NOx本底值＜650mg/m³时，氨逃逸≤6mg/m³，氨水消耗量＜2.7kg/t；NOx本底值在650～850mg/m³时，氨逃逸≤8mg/m³，氨水消耗量≤4.0kg/t；

(3)当NOx本底值＜500mg/m³，分解炉CO含量＜800mg/m³，分解炉O2含量＞2%时，能够满足氮氧化物排放小时均值≤50mg/m³；

(4)氨水用量：在氮氧化物排放小时均值在260～280 mg/m³时，新老系统对比氨水节约量不低于20%。

2 运行情况分析

2.1 关键技术总结

2.1.1 喷枪多层布置

单层喷枪布置的SNCR系统，脱硝效率一般不高于60%；而两层布置的SNCR系统，脱硝效率可以达到 60%～80%。这是因为喷枪的层数越多，氮氧化物与氨的混合越均匀，脱硝效率越高。SNCR反应时间在0.3s即可完成，考虑到氨水颗粒在烟气中的蒸发时间和反应时间，因此喷枪的层与层之间预留1s的间隔即可。精准SNCR系统采用至少两层喷枪布置，有效提高脱硝效率。

本项目计划喷枪分3层，分解炉中上部1层，五级筒1层，五级筒出口1层。

2.1.2 喷枪分组调节

传统SNCR系统，不能反馈每支喷枪的运行状态，实际喷射效果不能做到实时监控。为了实时掌握喷枪的运行状态及效果，每一组喷枪都安装独立的流量计与调节阀门，能便于调节，其流量计也会反馈至中控操作界面，真正实现了精准控制。

2.1.3 不同种类喷枪组合使用

传统SNCR系统，普遍采用单一类型的喷枪有的喷枪覆盖面积大，但是穿透力较弱；有的喷枪穿透力强，但是覆盖面积小；有的喷枪保证雾化效果的流量可调节范围很小，不能适应不同位置需求。这些造成的结果都是氨水与烟气的混合不均匀，氨的利用效率较低，不能达到最好的脱硝效果。精准SNCR系统采用多种类型喷枪，不同的喷射位置结合烟气特点有针对性地选择喷枪类型。在烟气流速较高的部位选择穿透力较强的锥形喷枪，在烟气流速较低的部位选择覆盖面积较大的扇形喷枪，大大增加了氨与氮氧化物的接触，提高了脱硝效率。

本项目在分解炉中上部、五级筒、五级筒出口根据不同的管径，采用不同类型的喷枪(见图2)，优化氨水颗粒与烟气的混合效果。

2.1.4 精准SNCR系统增加有效的反应时间

NH3和NOx发生反应的反应时间在0.15 s以上一般认为0.3s左右就可以达到较高的反应转化率为了消除不良影响，精准SNCR系统采用了高推力喷枪，加快氨与烟气的混合速度，缩短混合时间，保证NH₃与NOx的反应时间。

2.1.5 精准SNCR系统强化气液混合

精准SNCR系统为了更好地将氨与烟气混合，特别设计了多组喷枪，每一组喷枪单独调节流量，保证各喷射位置流量可控，实现氨与烟气的良好混合。

2.1.6 精准SNCR系统要求烟气成分

烟气中的O₂、CO等气体都会对SNCR产生一定的影响。由于SNCR 反应本身需要消耗一定的氧气，氧气浓度过低对SNCR反应不利。精准SNCR系统在使用过程中要求：分解炉出口氧气含量不低于 1.5%，CO含量不高于0.05%，C1出口氧气含量不低于2%，CO含量不高于0.05%。在相同的条件下，O₂比NOx气体容易与NH，气体反应，在SNCR脱硝过程中应严格控制烟气中的氧含量。

2.2 运行过程中存在的问题

2.2.1 氨水过滤阀易堵

氨水泵压力如果不能满足将氨水输送至7层喷枪，就会出现NOx排放值超出控制指标，导致超标排放。在此种情况下，操作员需要观察SNCR 精准脱硝系统入口压力值，当压力值低于0.8MPa时，适当增加氨水泵频率，将入口压力值调高；若氨水泵频率已经达到最大，则需要清洗过滤阀。按照使用要求，过滤阀一般半个月清洗一次。

2.2.2 氨水喷枪易结皮

氨水喷枪由于不断在喷射氨水，容易在预热器旋风筒内结皮，堵住氨水喷枪口，导致脱硝效果差需要每周清理两次结皮。

2.2.3 对烧成系统负压影响大

我公司共使用8个喷枪，第一次布局为C5A、B列锥部各2个喷枪，对称布局、C5A、B上升管道各1个喷枪、分解炉鹅颈管两侧各1个喷枪，对称布局在系统运行过程中，由于C5锥部喷枪结皮严重，对C5锥部负压影响较大，进行了喷枪调整，调整后的布局为 C5 锥部不再使用喷枪，C5A、B上升管道各1个喷枪、C3层分解炉副炉两侧对称分布各1个、分解炉鹅颈管两侧各1个喷枪，对称布局，共6个喷枪，调整后基本对负压没有影响，运行效果良好。

3 效益分析

3.1 直接经济效益

老系统吨熟料氨水消耗为2.6kg/t，使用精准脱硝后，当窑况稳定且台产正常时，吨熟料氨水消耗下降至2.02kg/t，较老系统下降22%；氨水加权平均价格为634元/t(不含税)，年生产熟料为150万t。具体参数见表 2。

3.2 考核期间三次NOx本底值浓度比较

经测量三次本底值均在850～1000mg/m³之间氮氧化物排放小时均值≤100mg/m³，不考核氨逃逸和氨水消耗量。

4 结语

经过 SNCR 精准脱硝技术改造，JY公司NOx排放指标可以达到环保绩效B级排放限值，NOx排放值稳定控制在280mg/m³以下，并且吨熟料氨水用量降低0.58kg/t，年节约生产成本55.16万元。当 NOx排放值稳定控制在100mg/m³以下，氨逃逸降低至8mg/m³以内；不仅节约了生产成本，并且为公司可持续发展奠定了基础，实现经济效益与社会效益双丰收。

来源：水泥生产技术公众号