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    水泥窯爐SNCR煙氣脫硝工藝設計

    (作者:黃鵬程 林雪等)

    針對5000t/d熟料水泥生產線的特點和區域性燃煤的工業特性,在SNCR技術的基礎上,設計了一套煙氣量5.8×105Nm3/h,初始NOx排放濃度390~900mg/Nm3,脫硝后NOx排放濃度≥156~360mg/Nm3,氨逃逸濃度≤8mg/Nm3,還原劑(25%氨水)消耗量<632kg/h,脫硝效率≥65%,系統可用率98%的SNCR煙氣脫硝系統。對5000t/d熟料水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統的性能參數、工藝流程、主要組成部分和分散控制系統進行了設計及說明,此工藝可為國內水泥行業煙氣脫硝工程的改造、設計提供借鑒和參考,實現低成本穩定脫硝,提高生產效率和企業競爭力。

    引言

    近年來,我國水泥行業發展迅速,同時帶來諸如環境污染、能源消耗過大、企業過度競爭、行業經濟效率低迷等一系列問題。水泥行業已成為居火力發電、汽車尾氣之后的第三大氮氧化物排放大戶,占全國氮氧化物排放總量的15%~20%。《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915-2013)(以下簡稱:標準)對水泥行業的NOx排放量做了初步規定,規定其排放限值為800mg/m3。根據“十二五”規劃的要求,至2015年底,水泥行業氮氧化物的排放總量要比2010年下降10%。規劃還要求水泥行業的新建生產線必須同時配套安裝效率不低于60%的脫硝設備,以確保NOx的排放達到環保標準要求。

    水泥窯爐是新型干法水泥生產線中的關鍵技術裝備,同樣也是水泥行業氮氧化物的主要排放源之一,其煙氣具有溫度高、風量大、NOx排放量大的特點。為標準水泥窯爐SNCR煙氣脫硝工藝設計修訂開展有關抽樣調查獲得的148個新型干法水泥窯氮氧化物排放數據,平均排放濃度為621.5mg/m3,其中約80%水泥窯平均排放濃度在500mg/m3以上。

    針對5000t/d熟料水泥生產線的特點,本文在SNCR技術的基礎上,設計了了一種煙氣脫硝工藝。在確保排放達標的前提下,實現低成本穩定脫硝,提高生產效率和企業競爭力。

    一、SNCR煙氣脫硝技術

    選擇性非催化還原(SNCR)是一種煙氣脫硝技術,其原理是將氨還原劑在一定的溫度窗口下與NOx發生選擇性非催化還原反應,達到降低NOx排放量的效果。還原劑噴入爐膛溫度為850℃~1100℃的區域,迅速釋放出NH3氣,與煙氣中的NOx反應生成N2和水。SNCR煙氣脫硝技術的脫硝效率一般為30%~60%,受鍋爐結構、反應溫度、噴槍位置、還原劑噴射量等因素的影響較大。

    在無催化劑、溫度為850℃~1100℃條件下,氨還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx,基本上不與煙氣中的O2作用。主要反應機理見化學方程式①,若溫度過高,NH3則被氧化成NO,見化學方程式②。

    4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O①

    4NH3+5O2→4NO+6H2O②

    相對于選擇性催化還原(SCR)技術,SNCR技術的脫硝效率較低,約為60%。但是,SNCR技術的成本只有SCR技術的1/5,且對水泥窯爐正常運行的影響較小。

    二、設計依據及主要技術參數

    2.1設計依據

    水泥行業回轉窯爐的主要燃燒對象是燃煤,在物料燒制過程中,會產生大量的煙氣,煙氣中含有大量NOx。本SNCR煙氣脫硝系統主要是為長期穩定確保5000t/d熟料水泥生產線水泥窯爐的NOx排放量達到環保標準而設計的,煙氣參數見表1所示。生產線上每臺窯爐的耗煤量為27.6t/h,所燃燒的煤種是產自福建清流縣的無煙煤(摻加30%的煙煤),其工業分析見表2所示。

    2.2性能參數

    水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統的主要設計的性能參數如下:

    (1)脫硝入口煙氣參數為設計值的條件下,溫度>850℃時,脫硝裝置NOx脫除效率不低于65%(從390~900mg/Nm3降至156~360mg/Nm3)。脫硝效率也稱為NOx脫除率,其計算方法如下式:

    其中:

    C1——脫硝前煙氣中NOx折算濃度(干基,10%O2),以O2計,mg/Nm3(標準狀態);

    C2——脫硝后煙氣中NOx折算濃度(干基,10%O2),以O2計,mg/Nm3(標準狀態)。

    (2)氨的逃逸濃度≤8mg/Nm3(標準狀態,干基,10%O2)。氨的逃逸濃度是指在脫硝裝置反應區出口氨的濃度(標準狀態,干基,10%O2)。

    (3)脫硝系統儀用和雜用空氣量:脫硝裝置儀用空氣量為0;雜用空氣量為40~80Nm3/min。

    (4)還原劑耗量:在滿足NOx脫除率、氨的逃逸率等性能參數的前提下,SNCR系統25%的氨水的消耗量<632kg/h;最低連續運行煙溫850℃;最高連續運行煙溫1100℃。

    (5)系統可用率≥98%。

    其中:A——水泥窯爐每年總運行時間,7200h;

    B——脫硝系統每年總停運時間,h。

    (6)脫硝裝置可用率≥98%。

    其中:A—脫硝系統裝置統計期間可運行小時數;

    B—脫硝系統裝置統計期間強迫停運小時數;

    C—脫硝系統裝置統計期間強迫降低處理等效停運小時數。

    三、水泥窯爐煙氣脫硝工藝流程及組成

    3.1SNCR煙氣脫硝工藝流程

    水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統的工藝流程如下圖所示。

    3.2SNCR煙氣脫硝系統主要組成部分

    水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統主要由六大功能模塊組成:SNCR反應模塊、氨水儲存及供應模塊、給料分配模塊、氨水噴射模塊、水消防模塊以及包括采暖、通風、除塵及空調在內的其他功能模塊。

    (1)SNCR反應模塊

    SNCR反應模塊是指未經脫硝的煙氣與NH3混合后在合適的溫度區域產生反應的功能區域。在SNCR反應區內,通過均勻噴入還原劑,在合適的溫度范圍內使煙氣中的氮氧化物與NH3產生反應生成N2與H2O,從而達到除去煙氣中氮氧化物的目的。

    (2)氨水儲存及供應模塊

    氨水儲存及供應模塊包括氨水運輸車、卸氨泵、氨水儲罐和氨氣緩沖罐。除此之外,氨水供應系統設置有廢水收集排放池,通過氨水儲罐或氨氣緩沖罐的安全閥收集罐里低濃度的氨水和消防冷卻噴淋廢水。廢水沉淀后通過排污泵返回到氨水儲罐搭配使用,實現廢水的循環利用。

    (3)給料分配模塊

    給料分配模塊的主要功能是實現氨水的分配、壓縮空氣的混合以及還原劑的流量控制。用來測量和控制正常運行時需要的氨水量的組件被裝配在給料分配模塊中,并配有一個控制閥和一個流量變送器,用來自動控制噴槍的氨水溶液總流量。除此之外,給料分配模塊還包括手動閥門、氣動控制閥門和玻璃浮子流量計,可以方便靈活地控制每根噴槍的實際流量,以便獲得更加均勻的流場分析。

    (4)氨水噴射模塊

    氨水噴射模塊的功能是實現還原劑與煙氣均勻、充分混合,并在故障時能迅速手動投退。考慮到噴槍噴嘴的霧化效果對系統脫硝效率的影響,采用機械霧化或空氣霧化以提高噴槍的霧化效果。同時噴頭的介質霧化角度大于130°,以擴大還原劑噴出時與煙氣的接觸面積,提高反應率。

    (5)水消防模塊及其他功能模塊水消防模塊以及包括采暖、通風、除塵及空調在內的其他功能模塊的功能是保證設計的水泥窯爐脫硝系統在可靠、安全、高效的運作環境中實現脫硝功能。

    3.3分散控制系統

    分散控制系統的設計原則是功能分散和物理分散相結合,控制水平與現有水泥生產線的自動化水平保持一致,其功能控制中心納入現有水泥生產線的控制網絡,實現兩者在硬件與軟件上的統一。

    分散控制系統接收來自窯爐和其附屬控制柜的數據信號,并根據上述數據實現對還原反應相關參數的適時調整。同時,控制系統可以根據脫硝系統的整體運行狀態和脫硝效率,對氨水儲存及供應模塊和給料分配模塊進行調節和處理。

    分散控制系統的功能主要包括采集系統(DAS)、模擬量控制系統(MCS)、順序控制系統(SCS)、聯鎖保護、煙氣脫硝系統廠用電源系統的監控。除此之外,分散控制系統還可實現煙氣檢測、成分分析與還原劑量控制等的監控任務。

    四、結論

    (1)針對水泥特性和燃煤的工業分析,設計水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統,基本設計參數為:煙氣量5.8×105Nm3/h,初始NOx排放濃度390~900mg/Nm3,脫硝后NOx排放濃度≤156~360mg/Nm3,氨的逃逸濃度≤8mg/Nm3,還原劑(25%氨水)消耗量<632kg/h,脫硝效率≥65%,系統可用率在98%以上。

    (2)水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統由六大功能模塊和分散控制系統組成。六大功能模塊主要包括SNCR反應模塊、氨水儲存及供應模塊、給料分配模塊、氨水噴射模塊、水消防模塊,以及包括采暖、通風、除塵及空調在內的其他功能模塊等。

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