基于双变量相关性分析的SNCR工艺氮氧化物排放浓度影响因子的研究——以石林某水泥厂为例

李艳芳,江映翔，王 栋，胡建富

(1.石林彝族自治县节能监察大队，云南 石林 655220；2.昆明理工大学，云南 昆明 650000； 3.昆明海螺水泥有限公司，云南 石林 655220)

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)脱硝技术于20世纪70年代起源于日本，80年代末在欧盟国家开始工业应用，90年代初进入美国。目前，该技术已经在我国工业中广泛应用和发展。SNCR技术的在线监测技术(CEMS)也是脱硝技术的重要组成部分，它可以直观、客观、低成本地将各项指标呈现出来。

氮氧化物排放浓度的影响因子包括：反应温度、氨氮摩尔比、氧气含量、循环灰、反应停留时间、CO浓度、NO浓度、水蒸汽浓度和反应压强等。针对各影响因素，已有大量实验研究文献。然而，诸多文献的实验环境和条件各不相同，所取得的实验数据以及最终的实验结论也有不同程度的差别。本文中SNCR所处的地理位置及高程决定了尾气出口的气压、气温也是影响因素之一，因此，对各影响因子的双变量相关性分析就存在一定的必要性。

经相关文献论证，温度和含氧量是影响高温喷氨脱硝效率的主要因素，氨水喷射量是水泥厂调节脱氨效率的常用方法，因此本文针对温度、含氧量和氨水喷射量进行相关性分析。高温喷氨脱硝反应存在相应的窗口温度：850～1300℃。对于氧气含量，无氧条件下，OH活性基团很少，高温喷氨脱硝反应进行缓慢，当氧含量<2%时，链式反应生成活性基团H 和OH，促进了NH3与NO的反应，理论脱硝效率可达到较高水平。

本文数据来源于石林某水泥厂，该水泥厂地基高程为1879～1885m。针对2016、2017、2018三年的每小时数据，对反应温度和氧气含量进行相关性分析。

1 数据与方法

1.1 数据采集

对水泥厂窑后气体排放进行在线监测，提取2016、2017、2018三年每小时检测数据。

1.2 数据处理

由于任何工艺参数的探头、烟气在线监测设备都有校准、校零、维护保养的必要，这些时段的无效数据仍然被探测和采集，因此，首先应对数据进行筛选、整理。对收集得到的数据中的无效数据进行识别和处理，并检验剩余数据的有效性，例如反应温度的取值范围，以确保最终相关分析的有效性。

1.3 分析方法

采用相关性分析法，相关分析是研究两个或两个以上处于同等地位的随机变量间的相关关系的统计分析方法，相关性的元素之间需要存在一定的联系或者概率才可以进行相关性分析。相关系数则是定量评价相关性大小的指标，常用的相关性系数有Pearson相关系数、Kendall 相关系数以及Spearman 相关系数。本次研究采用Pearson相关系数。本文进行相关性分析的对象是SNCR工艺的氮氧化物排放浓度的两种影响因子：反应温度和氧气含量。经过文献检索，窗口温度为850～1300℃，考虑到反应区与监测设备之间存在热量损失，将得到的数据以650℃为界限分为高、低温两组数据进行相关性分析。因此用Excel将处理后的数据筛选为：低于650℃的数据为低温区，高于650℃的数据为高温区，然后用SPSS软件分析两组氮氧化物排放浓度、反应温度、氧气含量和氨水喷射量的相关性。

2 结果

通过对数据的筛选，选用2016年1月—2017年6月523d的每小时数据进行筛选，最终得出12552组有效数据，其中低温区1711组有效数据，高温区10841组有效数据。氮氧化物排放浓度、反应温度、氧气含量和氨水喷射量的均值见表1。

表1 各项均值

本次研究对氮氧化物排放浓度与反应温度、氧气含量和氨水喷射量所构成的3对相关关系进行分析。利用SPSS 软件计算得到Pearson相关系数的P值和R值。详见表2和表3。

表2 低温区P值和R值

表3 高温区P值和R值

3 结论

(1)根据双变量相关性分析结果可以看出，氮氧化物排放浓度与反应温度的相关性：在低温区低于高温区，其R值为负，即为负相关，说明反应温度在高温条件优于低温条件，低温条件对于脱销反应的影响较小，氮氧化物排放浓度无明显变化；高温条件对脱销反应的影响较大，氮氧化物排放浓度有明显变化。氮氧化物排放浓度与氧气含量的相关性：低温区与高温区均为正相关，说明氧气含量对于脱销反应有阻碍作用，而水泥厂在线监测数据中氧气含量均值为10.02%，远远高于理论值2%，与理论不符。氮氧化物排放浓度与氨水喷射量的相关性：低温区没有相关，高温区相关性为弱相关，整体相关性较弱。

(2)低温条件下，SNCR工艺脱销反应缓慢进行，高温条件下，SNCR工艺的脱销反应处于较高水平，且温度的变化对反应影响明显，说明水泥厂的SNCR工艺在温度的控制方面仍需要改进，应尽量避免低温情况的发生。

(3)水泥厂SNCR工艺中的氧气含量过高，对脱销反应的影响较大，不利于脱硝工艺的正常进行，所以水泥厂应尽量将工艺中的氧气含量保持在较低水平。

(4)氨水喷射量对脱硝反应并不是主要影响因子，并且高氨水喷射量会产生有害气体，如氨气，即增加氨水喷射量是降低氮氧化物排放最直接的方式，但并不是最有效的方式。