水泥窑烟气SNCR脱硝技术喷射系统的关键问题研究

张飞虎

(山西亚美建筑工程材料有限责任公司，山西 阳泉 045000)

引 言

近年来，雾霾天气的频繁出现引起了人们对大气环境问题的高度关注。研究表明，NOx是各类大气污染物中危害极高的一类污染物，其不仅会引起雾霾、光化学烟雾、酸雨等环境问题，还会对人体和动物健康产生较大的影响。水泥作为基础的建筑材料，其生产过程具有高消耗、高污染的特点，尤其是水泥行业的NOx排放随着水泥需求量的增大而不断增加，已成为火力发电和汽车尾气之后的第三大排放源。现阶段，SNCR(选择性非催化还原)脱硝技术由于建设周期短，基建投资少，无需催化剂、成本控制低，消除了无水氨的贮藏、不需要很大的场地等特点，已成为已投入运行的比较成熟的烟气脱硝技术[1]。本文以此为基础，探讨水泥窑烟气SNCR脱硝技术喷射系统的关键问题，以促进水泥行业的可持续发展。

1 选择性非催化还原(SNCR)脱硝法

1.1 SNCR降低NOx原理

1.2 SNCR工艺流程

在水泥工业生产中，SNCR技术将加入的还原剂通过喷射的方式喷入炉膛，迅速热分解成NH3，与烟气中的NOx反应生成N2和水。储存罐的氨水或尿素经过过滤器后，通过添加泵进入流量调节阀和流量计，经计量后再进入喷嘴，雾化后喷入分解炉内。喷嘴位置在分解炉中部，其结构、位置和质量是氨水尿素添加设备的技术关键，因此需重点考虑[3]。

2 喷氨位置问题

选择四个位置为代表，自上至下分别为上部柱体顶部、底部及中部柱体顶部、中部，同时选取分解炉X轴截面、Y轴截面及出口截面为代表截面，研究喷氨位置对分解炉内NO质量浓度分布及去除率的影响。氨水进口管为四个，均匀对称分布在分解炉上，还原剂为20%的氨水，用量为0.017 kg/s，垂直进入炉膛。

2.1 不同喷氨位置分解炉内不同高度NO平均质量浓度

为了方便研究喷氨位置对分解炉内NO质量浓度分布的影响，以最终为喷氨位置提供参考与借鉴。现在分解炉Z轴方向每隔0.5 m选取一个断面，并以分解炉高度为横坐标，各断面的NO平均质量浓度为纵坐标，绘制位置1、位置2、位置3和位置4四个位置分解炉内不同高度NO平均质量浓度曲线图，如第178页图1所示。位置1、2、3、4分别为上部柱体顶部、底部及中部柱体顶部、中部。

由图1可知，随分解炉高度的增加，不同氨水进口位置(位置1、位置2、位置3、位置4)的炉内NO平均质量浓度整体皆呈现“先迅速降低，后迅速上升，

再持平，最后快速下降”的趋势。其中，第一次降低是由于三次风加入的稀释作用和焦炭的还原作用；迅速上升是由于煤粉燃烧产生燃料型NO；第二次降低是由于氨水进入分解炉，NO被还原。

2.2 不同喷氨位置分解炉出口NO质量浓度

为了进一步研究喷氨位置对分解炉内NO去除率的影响，以未喷氨(未进行SNCR脱硝)分解炉出口NO质量浓度作参照，计算不同氨水进口位置(位置1、位置2、位置3、位置4)的分解炉出口NO质量浓度。同时，计算不同氨水进口位置NO的去除率，如表1所示。由表1研究表明，喷氨位置在位置2时，NO去除率最高。因此，在进行水泥窑烟气SNCR脱硝时，喷氨位置选定在上部柱体底部。

表1 不同喷氨位置分解炉出口NO质量浓度及去除率

3 喷氨角度问题

通过文献研究及自身工作经验，选择六个喷氨角度为代表，分别为Z轴夹角15°、30°、45°、60°、75°、90°，同时选取分解炉X轴、Y轴截面及出口截面为代表截面，研究喷氨角度对分解炉内NO分布去除率的影响。氨水进口管为四个，均匀对称分布在分解炉上部柱体底部，还原剂为20%的氨水，用量为0.017 kg/s。

3.1 不同喷氨角度分解炉内不同高度NO平均质量浓度

为了方便研究喷氨角度对分解炉内NO质量浓度分布的影响，以最终为喷氨角度提供参考与借鉴。在分解炉Z轴方向每隔0.5 m选取一个断面，并以分解炉高度为横坐标，各断面NO平均质量浓度为纵坐标，绘制与Z轴夹角15°、30°、45°、60°、75°、90° 6个喷氨角度NO平均质量浓度变化曲线。通过对大量研究文献的查阅，在此试验中，以夹角变化最大的15°和90°为代表给出炉内的NO质量浓度变化曲线，如图2所示。

图2 不同喷氨角度分解炉内不同高度NO平均质量浓度

由图2可知，随分解炉高度的增加，喷氨角度与Z轴夹角分别为15°和90°时，炉内NO平均质量浓度的整体变化趋势及具体含量值基本趋于吻合一致，变化皆呈现历“慢下降、快下降、快上升、基本不变、快下降、慢下降”的趋势。与不同喷氨位置对分解炉内不同高度NO平均质量浓度的影响类似，其中，最初的“慢下降、快下降”是由于三次风加入的稀释作用和焦炭的还原作用；“快上升”是由于煤粉燃烧产生燃料型NO；之后的“快下降、慢下降”是由于氨水进入分解炉，NO被还原。

3.2 不同喷氨分解炉出口NO质量浓度

为了进一步研究喷氨角度对分解炉内NO去除率的影响，以未喷氨(未进行SNCR脱硝)分解炉出口NO质量浓度作参照，计算不同喷氨角度(与Z轴夹角15°、30°、45°、60°、75°、90°)的分解炉出口NO质量浓度。同时，计算不同喷氨角度NO的去除率，如表2所示。由表2研究表明，喷氨角度对NO去除率影响甚小。

表2 不同喷氨角度分解炉出口NO质量浓度及去除率

4 氨水用量问题

上述讨论了喷氨位置及喷氨角度对分解炉内NO的去除率产生影响，现选择6个氨水用量为代表，氨水用量分别为0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s，同时选取分解炉X轴截面、Y轴截面及出口截面为代表截面，研究氨水用量对分解炉内NO质量浓度分布及去除率的影响。氨水进口管为四个，均匀对称分布在分解炉上部柱体底部，还原剂为20%的氨水，垂直进入炉膛。

4.1 不同氨水用量分解炉内不同高度NO平均质量浓度

为了方便研究氨水用量对分解炉内NO质量浓度分布的影响，以最终为喷氨量提供参考与借鉴。现在分解炉Z轴方向每隔0.5 m选取一个断面，并以分解炉高度为横坐标，各断面的NO平均质量浓度为纵坐标，绘制氨水用量分别为0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s 5个不同用量分解炉内不同高度NO平均质量浓度曲线。通过对大量研究文献的查阅，在此试验中，以用量0.015、0.018和0.020 kg/s为代表给出炉内的NO质量浓度变化曲线，如图3所示。

图3 不同氨水用量分解炉内不同高度NO平均质量浓度

由图3可知，随分解炉高度的增加，0.015、0.018和0.020 kg/s三种氨水用量分解炉内NO质量浓度变化规律相似，变化皆呈现历“慢下降、快下降、快上升、基本不变、快下降、慢下降”的趋势。与不同喷氨位置、不同喷氨角度对分解炉内不同高度NO平均质量浓度的影响类似，其中，最初的“慢下降、快下降”是由于三次风加入的稀释作用和焦炭的还原作用；“快上升”是由于煤粉燃烧产生燃料型NO；之后的“快下降、慢下降”是由于氨水进入分解炉，NO被还原，以及氨水经过一段时间后反应速率下降导致。

4.2 不同氨水用量分解炉出口NO质量浓度

为了进一步研究喷氨量对分解炉内NO去除率的影响，以未喷氨(未进行SNCR脱硝)分解炉出口NO质量浓度作参照，计算不同喷氨量(0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.020 kg/s)的分解炉出口NO质量浓度。同时，计算不同喷氨量NO的去除率，如表3所示。由表3研究表明，NO去除率随着喷氨量的增加而变大。

表3 不同喷氨量分解炉出口NO质量浓度及去除率

5 结论

通过模拟试验，研究了喷氨位置、喷氨角度及氨水用量对NO去除率的影响，结果显示，除喷氨角度外，喷氨位置及氨水用量对分解炉出口截面NO质量浓度及脱硝效率影响较大，在进行水泥窑烟气SNCR脱硝时，喷氨位置选定在上部柱体底部，且需喷射较为多量的氨水。