水泥窑系统低氨脱氮技术研究

袁 畅

（重庆南桐矿业有限公司， 重庆 400000）

0 引言

重庆青鹏水泥有限公司（简称青鹏水泥），是重庆能源投资集团三级子公司，隶属重庆南桐矿业有限责任公司，地处重庆主城区沙坪坝青木关镇，环保排放指标比一般控制区更加严格，要求从2020年开始烟气中氮氧化物（NOX）排放限量值需从NOX＜250mg/m3降到重庆主城氮氧化物排放标准NOX＜150mg/m3以内；另一方面还需把落后的“SNCR选择性非催化还原技术”技改为“特种活化还原法复合脱硝技术”，技改后，既实现了NOX达标或超低排放，又实现了低氨脱氮，更降低了生产成本。

1 低氨脱氮研究与开发内容

（1）在分解炉下锥体部位形成有效还原区，并降低燃料型氮氧化物和瞬时型氮氧化物的产生。

（2）建立贫氧还原低氮燃烧区，使窑内产生的热力型NOX得到有效还原，在等量排放的前提下降低氨水用量。

（3）通过热生料中碱性氧化物催化还原窑炉内产生的NOX并调节还原区温度。

（4）合理的再平衡计算、规划和工艺操作控制调整，确保生产运行和产质量稳定，有利于提高产质量和降低能耗。

（5）优化技改后的燃烧器、撒料盒、三次风管等设备，强化了风、料、煤在系统内的旋流混合效果和传热效率，充分发挥分解炉的功能，提高热效率，保产保质。

2 低氨脱氮的工作原理

2.1 水泥窑烧成系统NOX产生的三个途径

（1）热力型NOX。回转窑内高温状态N2与空气中的O2发生以下反应：

一般来说NOX的形成量与温度、氧含量和反应停留时间成正比。

（2）燃料型NOX。燃料中含氮元素燃烧反应产生：

燃料型NOX的产生受温度、氧含量、煤的种类和细度以及煤挥发份成分中元素比值有关。

温度升高对NOX的产生有促进作用，但NOX生成量与温度的关系不大。煤的种类不同，挥发份含量不同，N含量不同，会导致NOX生成量不同。增加含氧量会增加燃料型NOX的生成。

（3）瞬时型NOX一般产生的比例极小。

2.2 低氨脱氮工作原理

低氨脱氮技术是在分级燃烧或SNCR脱硝的基础上，对其系统的风、料、煤、烟室缩口结构、入分解炉管道、三次风管道、三次风入炉位置和入炉角度、C4撒料盒等相关设备进行技术改造升级，通过煤粉在分解炉下锥体部位无焰燃烧产生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等还原剂，将窑内产生的NOX还原成无污染的N2排入大气，上述产生的还原剂在分解炉内遇到新鲜的三次风后会比煤粉更快燃烧并将热量传递给物料，同时配合系统硬件相关参数变更匹配和工艺操作调整达到系统再平衡，实现降低SNCR氨水使用量和高产优质稳定运行的目的，并有效抑制和降低燃料型和快速型氮氧化物的产生[1-5]，相关反应化学过程如下：

3 低氨脱氮技改的实施

低氨脱氮技改分为两大项：鹅颈管技改和分解炉低氨脱氮改造，其中分解炉低氨脱氮改造包括：窑尾三次风管优化、C4下料管技改及C4分料管改造、尾煤输送和煤粉燃烧系统技改、SNCR喷枪系统技改优化四部分。

3.1 鹅颈管技改

鹅颈管与低氨脱氮同属一个分解炉系统，其积料是分解炉发生塌料事故的主要原因之一，本次将它并入低氨脱氮技改。在鹅颈管转弯位置将下半部分拆除，增加分解炉炉容积20m3以上，增加炉容的同时降低鹅颈管下部积灰机率，保证鹅颈管通风截面积稳定。

3.2 窑尾三次风管优化

为建立良好的还原区，用于还原系统产生的NOX，需对入分解炉风管进行优化，将三次风管入炉位置抬高约3m，以建立良好的还原区，保证还原剂产生反应和还原反应的效果，如图1所示。

图1 三次网管改造示意图

3.3 C4下料管技改及C4分料管改造

C4下料管中的生料，通过加装三通分料阀分出一部分生料并引入分解炉下锥体位置，通过翻板锁风阀、撒料盒撒入分解炉内，可以达到调节分解炉锥部温度的目的，同时将部分物料喂入改造后的低氧还原区，利用生料中氧化钙、碱金属氧化物对煤焦及煤粉还原NO的催化作用，将窑炉内生成的NOX还原为洁净的氮气。

具体方案为：原C4下料管和撒料盒位置随三次风管入炉位置同步抬高处理，在原管道合理位置加装三通分料阀，三通分料阀将物料分成两路，一路经原下料管送入分解炉内，另一路物料经新加装的管道、翻板锁风阀、撒料盒喂入分解炉下锥体位置，如图2所示。

图2 C4下料技改示意图

3.4 尾煤输送和煤粉燃烧系统技改

在尾煤管道进分解炉之前加装煤粉分配器、两侧管道一分为二，将尾煤送至改造后的低氮燃烧器后喷入分解炉下锥体中；煤粉经燃烧器高速喷入还原区内，使喷入的煤粉在炉内形成径向扩散，强化风、煤混合效果，提供缺氧燃烧的必要条件，确保还原反应进行彻底，产生良好的脱硝效率，如图3所示。

图3 窑尾燃烧器示意图

3.5 SNCR喷枪系统技改优化

具体方案为:在原氨水和压缩空气管道合理位置加装相应管道和阀门等，移至五级上升烟道和五级锥体合理位置，加装氨水喷枪，将氨水喷入。

4 低氨脱氮技改后的技术指标分析

氮氧化物（NOX）降到重庆主城排放标准NOX＜150mg/m3以内的测试数据。

4.1 NOX≤100mg/m3的测试（见表1）

如表1所示，技改后氮氧化物按≤100mg/m3控制，氨水消耗为2.90kg/t熟料，达到合同约定≤3.5kg/t熟料的要求。

表1 技改后数据

4.2 技改前后三个月氨水消耗量对比（见表2）

表2 技改前后数据对比

表2中可知，技改前NOX均值控制为185mg/m3时，氨水消耗为4.32kg/t熟料；技改后NOX均值控制为121mg/m3时，氨水消耗为2.54kg/t熟料，技改后节约氨水效果明显。

5 低氨脱氮技改效果分析

5.1 经济效益

青鹏公司熟料年生产90万t/年，20%浓度氨水的单价为800元/t，技改后NOX的控制量分≤150mg/m3、≤100mg/m3的经济效益对比，见表3所示。

表3 技改经济效益

5.2 其他效益

不对系统添加任何外加剂；不形成二次污染；不影响熟料产品质量；解决了企业在主城区的生存问题。

6 结束语

水泥行业的污染问题是国家和社会层面关注的重点，2013年国家环保部会同质检总局发布修订后的《水泥工业大气污染物排放标准》（GB-4915-2013）,该标准大幅缩减了水泥生产线颗粒物、氮氧化物、二氧化硫等污染物的排放限量值。该标准规定，烟气中氮氧化物排放限量值由原来的800mg/m3下调至400mg/m3，重点区域执行320mg/m3、300mg/m3、260mg/m3等，很多区域正在酝酿将水泥生产企业氮氧化物排放标准下降至100mg/m3，在降低排放的前提下降低氨水使用量实现脱硝达标是企业降低生产成本的必由之路。