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水泥窑炉脱硝技术—SNCR
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水泥窑炉脱硝技术—SNCR






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(孰料)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:

NOx   控制技术

低NOx 燃烧器

分级燃烧

SNCR

SCR

脱硝效率

10~15%

25~30%

30~65%

85~90%

 

    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

   1.1.   SNCR脱硝原理及组成

   选择性非催化还原法(SNCR)脱硝技术是在没有催化剂的条件下,在850~1050℃的温度范围内,把还原剂(氨气或尿素)喷入水泥炉窑内,还原剂与炉窑中的氮氧化物(主要是一氧化氮和二氧化氮)发生化学反应,生成氮气和水,从而减少烟气中氮氧化物的排放。

   在分解炉的中下部喷入还原剂尿素[CO(NH2)2]或氨水(NH4OH) ,在有部分氧存在的条件下,发生以下反应过程。

   4NH3 + 4NO + O2 →4N2 + 6H2O   (1)

   温度进一步升高,则可能发生以下的反应:

   4NH3 + 5O2 →4NO + 6H2O      (2)

   当温度低于800℃时,NH3与NO的反应速度很慢;当温度高于1100℃时反应式(2)会逐渐起主导作用,当温度高于1300℃时NH3转变为NO的趋势会变得明显。

1) 尿素供应站

   尿素存储系统、尿素溶液配制系统和尿素溶液储存系统集中布置, 共同组成尿素供应站。尿素站主要设备包括:干尿素储仓,计量仓,螺旋输送机,配液池,尿素溶液储罐,尿素溶液输送泵和水加压泵。

2) 加压泵及其控制系统

   来自罐区的尿素溶液和稀释水分别通过加压泵同时输送至混合系统,从而最终被输送至喷雾系统。尿素溶液加压泵及其控制系统主要由两台螺杆泵(一用一备)、回流控制系统、压力检测系统及相应阀组组成。稀释水加压泵及其控制系统所含设备与尿素溶液相同。

3) 混合系统

   由于配置的尿素溶液浓度相对较高,主要是为了增加溶液的利用效率,需要兑水稀释。尿素溶液和稀释水分别由两个独立管路进入混合系统,且两流体的流量可根据实际所需喷氨量进行任意浓度的调配,最终被同时输送至静态混合器内,利用静态混合器的强湍流扰动特性,将尿素溶液与稀释水充分混合均匀。整个系统布置在罐区附近,与罐区共用挡棚。

4) 分配和调节系统

   由于在分解炉上布置了两层喷枪,进入两层喷枪的稀溶液需要通过控制分配和调节系统上的电动调节阀来自动控制稀溶液流量分配。出混合系统的稀溶液通过管路输送至分配和调节系统,系统布置在预热器塔架钢平台上,与喷雾系统靠近布置。

5) 喷雾系统

   喷枪是喷雾系统的核心也是整个SNCR(喷氨)系统的关键部件。为提高脱硝反应的效率,喷枪在分解炉上分两层布置,所有喷枪围绕分解炉周向对称均布。整个喷雾系统都有自反馈和自动调节功能,通过在线监测C1级筒出口(或烟囱出口)NOx 排放值,利用反馈系统自动调节和控制尿素喷射量,在保证脱硝效率前提下减少系统运行成本。

6)自动控制系统

   自动控制系统采用独立的可编程序逻辑控制器(PLC),系统单独设置 1台工程师站 (兼操作员站), 预留OPC 通信接口与电厂分散控制系统 (DCS)通信; 系统设有必要的报表、查询和报警等功能。控制系统根据采集的相关信号, 控制、调节主要设备运行情况和喷枪运行情况, 实现有效脱硝。


2.1.关键技术问题

   SNCR技术的关键是:还原剂喷射在合适的温度窗口,以及喷入的还原剂与烟气中NOX的充分混合,从而实现较高的脱硝效率,降低还原剂的耗量和尾部氨的逃逸量。

1)喷嘴位置的确定

   确定喷嘴位置主要考虑炉窑内部的气体温度,尿素还原 NOx 反应的适宜温度为 850℃~1050℃。喷嘴的位置选择是否合适,直接决定了SNCR的脱硝效率的高低。喷嘴位置的选择是整个SNCR系统最关键的地方。

选择合适的喷嘴位置,主要通过两种途径来实现:

   CFD流场模拟,来确定喷射点;

   通过红外线现场测试炉窑内温度分布,确定喷射位置。

2)尿素溶液的雾化要求

   为了使尿素与NOx 的反应能够在很短的时间内完成 ,必须对尿素溶液进行良好的雾化。对尿素溶液进行良好的雾化 ,必须选择喷嘴的结构和喷嘴处的液体、气体压力和流量。喷嘴处的液体压力一般为0.4MPa,喷嘴处的气体压力一般为0.3MPa。

3)喷嘴的结构和材质

   喷嘴的质量是尿素添加设备的技术关键,喷嘴的结构设计应该首先保证使尿素溶液具有良好的雾化效果,其次应考虑喷嘴本身处于高温部位,应具有良好的耐热性能,不易烧损。


3. 小结

3.1. 从世界范围来看,已实施的水泥厂脱硝工程,几乎全部采用SNCR脱硝技术。SNCR脱硝是目前我国水泥行业脱硝的主流技术。               

3.2. 采用SNCR 选择性非催化还原技术,可以减少氮氧化物排放30%~65%。按不同的脱硝成本可实现氮氧化物排放≤500 mg/Nm3(10%氧含量,NO计)的连续控制,满足不同阶段的环保标准的持久性适应需求。氨逃逸≤5ppm。