南阳中联6000t/d水泥窑脱硝技术成功经验分享
摘要：6000t/d水泥窑SNCR优化升级改造：优化氨水喷枪位置，更换新型喷枪，加装分配柜系统，在分解炉上部氨枪位置再布置一层加长喷枪，通过升级改造，将6000t/d水泥窑氮氧化物降低到80mg/ m3以下，提前成功完成公司氮氧化物超低排放任务。
一、前言
以河南省2017年提出推进水泥行业超低排放为契机，根据南阳中联水泥有限公司脱硝实际情况，对6000t/d水泥窑原SNCR进行优化升级改造：优化氨水喷枪位置，更换新型喷枪，加装分配柜系统，在分解炉上部氨枪位置再布置一层加长喷枪，通过升级改造，将6000t/d水泥窑窑氮氧化物降低到80mg/ m3以下，提前成功完成公司氮氧化物超低排放任务。
二、改造前的技术状况、主要技术经济指标、存在的技术问题
南阳中联水泥有限公司6000t/d熟料生产线，于2007年7月投产，是使用半离线式PSMC分解炉的新型干法回转窑。2007年投产至2014年，窑尾在线监测数据NOx浓度显示在550-650mg/m3之间。水泥行业国家新标准《水泥工业大气污染物排放标准》GB4915-2013于2013年12月27日正式发布，要求2015年7月1日起NOx排放限值为400 mg/m3，重点地区排放限值为320 mg/m3。
2014年初我们先进行了低氮燃烧器改造，氮氧化物排放浓度略有所降。于2014年6月开始对6000t/d水泥熟料生产线进行SNCR脱硝改造，历时三个月，氮氧化物排放稳定达到320 mg/m3以下，控制在280--300 mg/m3，6000t/d窑氨水喷量小时均值在400kg/h,吨熟料氨水成本在0.95-1.05元。2017年年初针对生产中的瓶颈问题，我们对篦冷机系统进行了优化改造，改造后窑系统稳定性大幅增强，窑况明显得到改善，氮氧化物初始值进一步上升，在控制原有指标基础上，公司6000t/d窑氨水喷量小时均值上涨到800kg/h,吨熟料氨水成本上升到1.75-1.9元。
三、改造方案
河南省政府于2017年提出水泥行业将进行超低排放概念，同时鼓励企业2018年推进超低排放，根据《河南省2018年大气污染防治攻坚战工作方案》要求，2018年10月底前，完成水泥熟料企业超低排放改造。完成超低排放改造后，水泥窑废气在基准氧含量10%的条件下，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度要分别不高于10mg/m3、35mg/m3、100mg/m3。作为中联水泥的核心企业，作为央企的社会责任感，我们有必要把工作往前推，把工作做的更扎实，更精细。针对我公司6000t/d水泥窑的现状，我们于2017年10月成立技术攻关小组，开始不断的咨询环保公司和兄弟企业，同时自己也在不断的实验优化。
（1）改造前实验及原因分析
成立技术攻关小组后，我们经多次试验，利用现有的脱硝喷氨系统，在原有控制基础（800kg/h氨水喷量，氮氧化物指标在280-300 mg/m3）上，继续加大氨水喷量，氮氧化物会缓慢下降，实验过程中发现在氨水喷量达到1.6t/h时，氮氧化物可达到最低，达到170--210 mg/m3，氨水喷量再继续增加时，氮氧化物不会继续下降，反而成缓慢上升趋势。同时考虑到氨水喷量大，如果不能被有效拉走，会产生闪爆等安全事故。
经多次试验，结果都比较接近，说明现有的脱硝系统无法满足超低排放的要求。
表一：现有氨枪开孔方式及数量
我们在五级旋风筒出口部位加装氨枪，然后进行实验，发现效果并不理想。
公司顿时又陷入了一个瓶颈：无论出于政策法规的逐步到来，还是处于央企的社会责任，都不能止步不前。攻关小组成员再次加大与环保厂家沟通联系，同时自己继续加强脱硝理论方面的研究，经过不断地理论学习和环保专家、兄弟厂家的沟通交流、现场实地考察，再经过多人深度思考探讨论证，事情原委逐步明了：
1.1我公司6000t/d生产线分解炉炉容小，仅为1465m3（而2009年及其后设计投产的5000t/d熟料线分解炉炉容绝大部分在1800-2200立方米），同时由于分解炉为PSMC型半离线炉，在预燃炉SC室中，风与料混合较差；在主炉MC室中，顶部由于设计问题没有利用，造成在实际运行中，分解炉的有效容积更小。故风与物料在分解炉的停留时间较短，这是造成分级燃烧的脱硝改造在我公司6000t/d熟料线上一直无法正常稳定运行的主要原因。
1.2常规脱硝系统使用的喷枪，是以直喷的形式喷射氨水，喷射系统在烟道内的覆盖面偏低，如下图所示。
注解：中间红色区域为喷射严重重叠区域；中间深蓝色区域为喷射重叠区域；边缘浅红色区域为喷射盲区。
另外，脱硝系统的喷枪不仅要具有良好的雾化特性，还需要有足够的穿透能力，否则会出现如图2-1所示
的边壁效应，氨水无法与管道中心位置的烟气混合，被气流带出高温区域后，温度下降使得氨水不能与NOx正常反应，造成氨逃逸而增加运行成本。
脱硝化学反应方程式为：
CO（NH2）2+H2O→CO2+2NH3
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
6NO+4NH3→5N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
2NO2+4NH3+O2→ 3N2+6H2O
存在如下问题：由于氨水及烟气在分解炉中停留时间过短，会造成中间区域氨水充足过量造成氨逃逸，大量边壁区域是盲区造成含尘烟气没有进行脱硝反应，最终形成的结果是氨水用量大，氨逃逸偏高，而氮氧化物也没有达到超低排放要求，脱硝效率不高，这个也是国内水泥行业SNCR脱硝运行的一个通病。
1.3五级出口温度基本在810-840℃，已经是SNCR脱硝反应温度的极限了，且此处风速较高，故脱硝效果较差。
（2）改造内容
而后我们经过和多个环保厂家的不断咨询探讨，发现南京西普公司在氨枪制作上由其独到之处，氨枪为斜喷和直喷两种，同时喷枪的雾化效果较好。其喷射示意图如下：
注解：中间深蓝色区域为喷射重叠区域，边壁浅红色区域为喷射盲区。由图可见：氨水喷射严重重叠区域不存在，喷射重叠区域变小，边壁喷射盲区大幅变小。
喷枪喷射点及布枪方式：根据现场实际情况，我们进行了第一次改造：在原有上层喷枪上部0.5米的位置重新布置一层14杆喷枪，且根据现场情况尽可能均匀分布，同时在分解炉与东西两个五级筒交接处各布置三杆喷枪。将喷枪全部更换为CHOPE创新2代双流体喷枪，加装脉冲清吹装置，防止在使用过程中喷枪堵塞。同时升级自动控制系统，提高系统运行的稳定性和经济性。详见下图（1）、图（2）、图（3）、图（4）。
图（1）
图（2）
图（3）
图（4）氨水分配控制柜
（3）改造后的系统有以下几点优势：
3.1采用C-HOPE创新2代高效喷枪后，可以使喷枪的雾冠对分解炉烟道的覆盖面更高。且多支喷枪的配合使用，还可以产生一定的旋流作用，使喷射有效覆盖面更高，从而提高脱硝效率，减少氨逃逸量，降低脱硝运行成本。同时还可以降低氨逃逸对除尘、余热发电设备的影响，减少相关设备备件的消耗量。
3.2自动化控制系统能够实现脱硝系统无人工干预自动调整氨水实时耗量，控制系统可根据温度、氮氧化物（NOx）排放浓度及含氧量实时调整最佳喷氨量，保证NOx达标排放，减少人工操作造成的氨水消耗，降低运行成本及氨逃逸量。
我们第一次改造后，当氨水喷量加到1200kg/h时，氮氧化物确实下降明显，能降低50--200mg/m3有效果，但氮氧化物波动较大，充分说明改造的方向是对的，但稳定性差。
于是我们分析原因，觉得可能是没有精准分配氨水，导致在调节是无法做到分解炉上部与出口三个区域的氨水精准控制。于是我们又进行了第二次改造：增设一套二次流量分配柜，实现对两层三区喷射层氨水用量的精确控制。
第二次改造后，氨水喷量在1100t/h，氮氧化物排放浓度在30--150 mg/ m3，氮氧化物稳定性有所提高，但是还是会出现波动大的情况。同时在窑用风调整及产量调整时表现的较为明显。经多次调试均会出现此种状况。
我们分析认为，可能存在少部分盲区所致。经过内部不断讨论和南京西普公司技术人员不断地交流沟通；有位技术人员查看现场后无意中说：以前还没见过直径这么大的分解炉（我公司分解炉直径为8200mm，耐材及保温层砌筑后有效内径为7620mm）。让我们萌发了一个假想：南京西普氨枪做的精细，同时雾化好氨水喷量较小，在我公司这么大直径的分解炉上，在分解炉喷氨的中间部位，由于分解炉在运行中属于高温含尘量大的工况，是否会存在喷枪穿透力稍差、中间存在盲区的情况？
于是我们经过商量后，决定进行第三次试改造：在分解炉现有上层喷枪位置的上部再均匀布置六杆加长喷枪（喷枪长度由1.0米提升至2.0米），三杆直喷，三杆斜喷。
第三次改造后，氨水喷量小时均值在1050kg，氮氧化物排放浓度基本稳定在30-50mg/ m3，经检测，氨逃逸量为8mg/ m3，完全达标，提前一年达到河南省大气污染防治所要求的最低排放标准。（注：《河南省2019年大气污染防治攻坚战实施方案》要求2019年年底前，河南全省符合条件的通用水泥熟料企业完成提标治理，水泥窑废气在基准氧含量10%的条件下，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨逃逸不得高于10、35、100、8毫克/立方米。）
四、后记
此次脱硝改造，把传统的SNCR脱硝效率由之前最高的70%提升至92%以上，采用自动化控制系统，能够实现脱硝系统无人工干预自动调整氨水实时耗量，提高系统运行的稳定性和经济性；累计投资了70万元，圆满完成了改造任务，相对其他水泥企业脱硝超低排放改造，少则两三百万元，我们投资成本较低，达标排放效果显著。即使和投资两三千万元的SCR技术相比，也不逊色。SCR技术虽然是目前公认的降低氮氧化物排放最有效的方法。但由于使用剧毒催化剂带来的安全隐患，以及粉尘堵塞后的解决措施都尚未完全成熟，SCR技术若是出故障甚至会造成直接排放的后果。
参考文献：
《河南省2018年大气污染防治攻坚战工作方案》豫政办〔2018〕14号
《河南省2019年大气污染防治攻坚战工作方案》豫环攻坚办〔2019〕25号
编辑：王琲建
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