預分解窯SNCR脫硝系統技術改造的實踐

周桂勝（山東魯碧建材有限公司，山東 濟南 271100）

0 引言

隨著我國十四五規劃關于“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生”主題的提出；加強污染防治和生態建設，持續改善環境質量已作為一項基本國策來具體實施。NOx作為空氣污染物的主要成分之一，其排放標準也日趨嚴格，目前山東省內對于氮氧化物排放濃度的標準為100 mg/m3以內。

我公司4 800 t/d新型干法水泥熟料生產線采用近年來水泥行業應用最為廣泛的選擇性非催化還原（SNCR）脫硝系統。其原理是在無需催化劑作用的條件下，將氨基還原劑霧化后噴入溫度在850～1 100℃的反應區間內，并與系統中氮氧化物發生還原反應;而影響脫硝反應效率的因素包括氨水用量及其霧化效果、反應區域的溫度、粉塵濃度、滯留時間以及氨槍的位置布局等等。很多生產線也針對上述因素進行了諸多優化探索，包括降低燒成溫度以降低熱力型氮氧化物的生成；降低窯內過?？諝庀禂?，甚至使窯內煅燒環境中形成弱還原氣氛；應用新型低氮煤粉燃燒器以及分解爐分級燃燒技術等等。然而，這些措施雖然能夠有效控制氮氧化物排放指標，但仍需較多氨水成本的投入，且有些措施會對回轉窯熟料煅燒質量和系統耐材使用壽命產生負面影響，為此我廠對于氨槍位置布局進行了一次新的優化改造。

1 SNCR系統噴氨位置的探究與對比

1.1 噴槍布置位置探究

我公司目前采用氨水濃度為20%的SNCR脫硝系統；最初該系統的噴氨裝置布置在預熱器C3層分解爐中部區域，該處對于分配系統管路的壓損較大，脫硝反應效率偏低且易出現氨逃逸等問題致使系統NOx排放指標不穩定的情況發生。

根據新型干法水泥煅燒系統的生產工藝特點，五級旋風筒是繼分解爐后的熱工設備，燃料在分解爐內充分燃燒、熱量交換以及生料預分解反應后，廢氣及預分解后的生料才進入五級旋風筒，因此五級旋風筒內一氧化碳濃度較分解爐內要低，大大降低了一氧化碳對脫硝反應效率的影響。并且經五級旋風筒氣固分離后的粉塵濃度降低約90%左右，而在C5旋風筒本體內的反應溫度約為850～950℃之間;霧化后的氨水在其內部的停留時間能夠滿足SNCR脫硝反應要求，所以理論上來講可作為SNCR脫硝系統噴氨的反應區域，這樣既有利于SNCR系統脫硝反應效率的同時還大大提高了氨水利用率。

1.2 系統熱工標定數據對比分析

為進一步優化各項經濟指標，我公司于2021年5月15日～5月17日對山東魯碧建材有限公司燒成系統進行熱工標定，技術參數見表1。

表1 窯尾溫度和壓力分布部分數據

根據表1中數據分析可知，五級旋風筒出口溫度區間在810～850℃之間，且該處風速較大，粉塵濃度較旋風筒本體要大，物料的吸附作用對NOx的還原反應有抑制影響，氨水混合停留時間較短，當氨水使用流量較大時氨逃逸現象明顯，故脫硝效果并不理想；后結合CFD模擬見圖1，初步制定了SNCR脫硝噴槍的位置方案并針對SNCR脫硝氨噴霧的精確位置進行了流場分析和探究。

圖1 C5旋風筒本體布置氨水噴槍流場情況

從C5旋風筒噴淋的氨水流場可以看出，氨水與煙氣混合并呈旋流狀態隨之移動，且旋風筒本體的氣流旋流強度較出口要高。這樣既促進了氨水與煙氣中NOx的混合程度，氨水在旋風筒內的滯留還原反應時間也得到了進一步的延長，進而提高了脫硝系統的反應效率。

2 改造方案

2.1 SNCR系統噴槍位置改造

根據我公司回轉窯系統的實際生產情況，結合預熱器脫硝反應的環境條件，在不改變原有C5上升煙道脫硝系統噴槍布局的基礎上，重新增設氨槍敷設點，在緊貼C5旋風筒與錐體連接處上部共敷設6支脫硝噴槍，每列仍采用對稱式的氨槍布局，氨水及霧化所需要的壓縮空氣均由原控制系統引出。改造前后對比如圖2所示。為了使氨水在反應環境內分布更加均勻，調整氨槍伸入長度，噴頭由直噴優化為垂直向下的環噴結構。

圖2 改造前后效果圖

2.2 C4下料管改造

根據原系統的運行狀況，原C4下料管結構為連接在分解爐錐體以上，緊貼分解爐下部，生產運行中常因C4物料撒料不均、物料入分解爐速度過高致使物料在分解爐內懸浮分散不良，后經分解爐縮口沖入高溫區冷凝成球造成提前結粒等問題，此類物料通常在回轉窯內不易燒透且包裹著未燃盡的煤粉，破碎后多呈欠燒、包心等狀態。針對此類問題，將原C4翻板閥及以下部分拆除，在C4錐體下部管道上加裝分料閥，連接2個下料管道，管道直徑900 mm不變，分料閥下分的兩個管道上各安裝有一個翻板閥用于鎖風和排灰，各管道均連接到分解爐下部，其撒料箱位于改造后三次風管的上部0.5 m的截面處，物料通過撒料箱進入分解爐，并且將C4各撒料板改為可調式結構，可根據實際生產過程中物料的撒料情況來優化調整撒料板角度和伸入尺寸，既確保了料粉分散的均勻程度，還能起到平衡分解爐錐部的溫度場的作用。使料粉均勻進入改造后的低氧還原區，利用生料中堿性氧化物的催化作用來還原系統內的NOx。

2.3 分解爐煤粉燃燒系統及三次風管進口改造

采用新型分煤器和四個貧氧燃燒器。將四支貧氧煤粉燃燒器安裝在煙室膨脹節以上分解爐錐體底部位置，四支貧氧燃燒器在同一水平面內呈360°均布；煤粉經改造后的管道均勻的輸送至四根貧氧燃燒器噴入分解爐中，經噴嘴高速噴入還原反應區域內部的煤粉呈徑向分散，不僅加大了煤粉的分散程度和延長反應的時間，還保證煤粉在弱還原氣氛中燃燒，利用此還原區域來自還原窯尾煙氣中生成的氮氧化物。

另外為了確保低氧還原區的反應空間，對窯尾三次風閘板后部管道進行上移優化改造。根據我公司窯型設計的特點，將三次風閘板后部風管與分解爐接口整體上移2 m，使原連接分解爐錐部的管道改造至連接到分解爐下部、錐部以上的位置，風管仍保持原管徑不變；調整三次風管入分解爐的連接角度，確保三次風能夠沿分解爐內壁沿切向進入爐內，并與尾煤充分混合隨氣流回旋向上，配合在三次風管末端增設的管徑1 m脫氮管聯合使用，使燃料、高溫氣流合理匹配從而達到在窯尾系統內形成脫硝還原區域，進一步實現系統自脫硝、提高脫硝經濟性的目的。

3 改造后系統運行效果及操作要求

首先通過對系統的熱工標定監測得知，預熱器系統中C5旋風筒的溫度區間在850～900℃，霧化后的氨水在其內部停留時間約為1.00s以上，料粉濃度經旋風筒本體氣料分離后僅為分解爐及C5旋風筒出口的1/10左右，且一氧化碳濃度較低。綜上所述,C5旋風筒本體的溫度環境、氨水的停留反應時間等影響因素均更有利于SNCR脫硝系統的反應條件，改造后系統熱工制度和NOx排放量更加穩定，為進一步實現NOx超低排放工作奠定了基礎。

其次通過多年的實際運行，本次SNCR脫硝系統噴氨位置改造至緊貼C5旋風筒與錐體連接處上部的實踐證明NOx排放濃度在同等環保指標的控制條件下，氨水用量及氨水用量波動得到進一步降低，氨水的利用效率提升了近20%，平均每月可節約氨水用量約300t，大幅節約了脫硝運行的投入成本。

此外，眾所周知的在熟料煅燒的過程中水泥回轉窯內燒成帶的溫度高達1400℃左右，多通道煤粉燃燒器形成的火焰溫度甚至高達1700℃以上。這種高溫的環境下可以促使回轉窯系統內N2和O2發生反應生成大量熱力型NOx；熟料燒成系統中氮氧化物的幾種形成機理及對NOx排放量的比例關系見圖3。

圖3 NOx的三種形成機理及NOx形成量趨勢圖

因此在中控操作過程中須注意工藝參數方面的精細化操作。優化多通道煤粉燃燒器各不同風道的用風比例，調整風煤混合效率來控制火焰形狀和燃燒速度，通過調整出的理想火焰和合理的燒成區間有利于降低系統內NOx的形成。

通過我單位改造后近兩年來的實際生產應用，SNCR脫硝系統在C5旋風筒錐體上部加裝噴槍后,系統NOx排放指標在同等環?？刂茥l件下，氨水使用量較改造前又降低了近30%左右，見表2。

表2 近年三年環保監測平均數據匯總

4 結語

氨水用量波動明顯下降?？梢姳敬渭几牡男Ч@著，在積極推進公司降本增效工作的同時,也響應了現階段國家以及行業對于環保形勢的要求。