【技术】4000t/d生产线氮氧化物超低排放改造经验
2023-04-21 22:48:00
技术 | 4000t/d生产线氮氧化物超低排放改造经验摘要：随着《2019 年邢台市工业污染深度治理攻坚战方案》的实施，环保标准的不断严格，公司按照“五稳保一稳”的原则，采用“稳定煅烧 分级燃烧 SNCR 系统密封治理 智能脱硝”的综合技术路线，分步对整个工艺系统氮氧化物超低排放进行了综合改造。改造后，氮氧化物排放折算浓度平均值为39.9 mg/Nm3，并长期稳定在50 mg/Nm3以内，氨水用量1.5 m3/h，对熟料产质量无负面影响，达到了技改的目的。
从2018年11月开始，我公司对临城分公司和牛山分公司2条4 000 t/d熟料生产线分别进行了氮氧化物超低排放综合治理项目改造，改造后，氮氧化物排放折算浓度平均值为39.9 mg/Nm3，并长期稳定在50 mg/Nm3以内，满足了《2019年邢台市工业污染深度治理攻坚战方案》的要求，率先在邢台地区实现了氮氧化物的超低排放。
1 第一阶段改造
第一阶段，我们按照“五稳保一稳”的原则，采用“稳定煅烧 分级燃烧 SNCR 系统密封治理”的综合技术路线，对整个工艺系统进行了综合治理。
1.1 改造措施
1.1.1 稳定煅烧
采用DF-5701元素在线分析仪，实施了连续稳定在线配料项目改造，采用先进的司德伯秤、气悬浮风机、陶瓷内筒、高效锁风装置，经过用风、用煤、稳料等“五稳”项目的实施，确保了整个工艺系统的连续稳定，并降低了氮氧化物的本底值，降低了系统的氧含量，降低了能源消耗，为分级燃烧降低氮氧化物排放，打下了坚实的基础。
1.1.2 分级燃烧
分级燃烧采用蒸汽低氨燃烧脱硝技术。水泥窑蒸汽低氨燃烧脱硝技术是依据分解炉的具体情况，对系统的风、料、煤、烟室缩口结构，入分解炉管道位置和角度，C4撒料箱等相关设备进行技术升级，通过煤粉在分解炉下锥体部位无焰贫氧燃烧产生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。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NOx总量，减少SNCR氨水使用量和高产优质稳定运行的目的。
1）改造燃烧器定制
把4个贫氧燃烧器定制安装在分解炉锥体底部膨胀节以上适当位置，另外2个燃烧器定制安装在三次风管以上合适位置。煤粉经分煤器、输煤管道进入改造后的4个贫氧燃烧器定制和另外2个燃烧器定制，喷入分解炉中。煤粉分级改造设计及现场图见图1。
2）改造C4下料管
C4下料管中的生料，通过分料阀进入分解炉的锥体位置，可以达到调节分解炉锥体温度，防止高温结皮现象的产生。同时使部分物料进入改造的低氧还原区，利用生料中氧化钙等金属氧化物对煤焦及煤粉的催化作用，还原窑炉内生成的NOx。根据原系统的运行状况，我们对原C4下料管下料的位置进行改造，具体方案为：
在原分解炉C4两个下料管中，来料分成两部分，一部分料进入上面的C4下料管。一部分料进入下面的C4下料管。
把上面的C4撒料盒及分料阀以下的下料管拆除掉，根据设计把撒料盒重新开孔提高安装，重新布置下料管的位置。
把下面C4下料管的撒料盒根据设计抬高到合适位置，并安装新的可调式撒料盒及下料管，把分料管的锁风阀更换成新的微动锁风阀。将分出的部分生料经新改造的下料管、微动锁风阀、可调式撒料盒喂入分解炉锥体下部的燃烧器定制和蒸汽喷枪位置的上方合适位置。制作分料阀及锁风阀的操作平台护栏及爬梯，外表面做除锈刷漆处理。
C4下料管改造设计与现场图见图2。
3）三次风管改造
为了使低氧还原区具有充足的反应空间，我们将分解炉三次风管进行上移改造。根据窑型设计，在分解炉原三次风管进口上部直筒合适位置重新开孔，把进入分解炉的三次风管上移，使其均匀抬高至合适的高度，三次风管与分解炉上新开的开口对接。再把原分解炉上三次风进口封闭，使其形成新的三次风通道，三次风管制作新的平台及护栏。分解炉三次风管进入分解炉处进行优化处理。三次风管上移改造设计及现场图见图3。
1.1.3 主输煤管道技改
根据工艺需求将原窑尾输煤主煤管由Φ325 mm变为Φ273 mm×8.0 mm无缝钢管，长度约120 m。
1.1.4 SNCR喷枪系统技改
为了确定两条生产线的氨水最佳喷入点位置，我们进行了大量的摸索调整，从分解炉出口、C5出口、分解炉喷枪多层布置、C5锥部等部位，不断试验，寻求氮氧化物排放本底值最低、氨水用量最少、SNCR脱硝效率最佳的喷氨点位组合方式。最终确定了两条生产线均在C5上升烟道上共安装6支脱硝喷枪，氨水及雾化所需要的压缩空气都从原脱硝系统控制柜内引出，控制系统保持不变。
1.1.5 系统密封治理
立磨喂料系统原使用的为回转下料器，漏风量大，窑尾排放氧含量高，会导致氮氧化物折算值升高，影响氮氧化物超低排放实施效果。因此我们对其转子秤进行了改造，控制喂料器运转速度，将料位稳定在设定的范围之内，最大程度地减少了系统漏风。改造后，窑尾烟囱氧含量检测值稳定在6.0%，达到了最优状态。
1.2 改造效果
经过第一阶段的改造，氮氧化物排放折算浓度平均值为43.1 mg/Nm3，氨水用量约1.05 m3/h，并能保持稳定，对熟料产质量均没有负面影响。改造前后对比见表1。
2 第二阶段改造
2.1 确定改造方案
经过第一阶段的综合治理，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放指标初步达到邢台市要求的超低排放目标值（颗粒物低于10 mg/Nm3、SO2低于50 mg/Nm3、NOx低于50 mg/Nm3）。随后邢台市大气污染防治领导小组办公室又进一步强化了重点大气污染企业的总量控制，为适应邢台市日益严峻的环保政策及目前国内最严格的环保排放标准，需进一步降控NOx。经综合对比分级燃烧 低温SCR技术、复合催化剂HECDC-II技术的各项经济技术指标，发现在现有分级燃烧基础上，配合高效智能SNCR脱硝系统实现超低排放是当前相对性价比最优的技术路线，且该项目建设周期短、解决问题快，能尽快实现正常生产。
2.2 高效智能脱硝改造措施
2.2.1 喷枪分层布置
高效智能脱硝系统喷枪分层布置，根据实时特定工况下每层喷枪的脱硝效率差异调整每组喷枪的氨水流量和压缩空气压力，以实现高效脱硝。在烟气流向通道上预开多个喷枪安装孔，在调试时测试每个孔的相对脱硝效率，在这些预开孔中筛选出脱硝效率最高的孔做为喷枪的安装位置。见图4。
2.2.2 集成控制单元
我们将可靠性高、精度高的测量仪器和控制阀门都集成为一个整体，便于现场安装和维护。
2.2.3 在线氨气检测分析仪
为实现氨逃逸的控制，需要精确采集预热器一级出口的氨逃逸数据，为此我们还专门配置了精准的氨逃逸监测仪。
2.2.4 智能系统软件
高效智能SNCR系统通过与装配PLC和现有DCS系统建立通讯连接，采用智能软件学习全部数据驱动的方法来分析烧成系统，模拟特定工艺条件对现有SNCR喷枪效率的影响，帮助选择合适的喷嘴和安装位置，使氨水在NOx含量高的区域充分反应，避免不必要的氨逃逸（高效利用氨水）。软件核心技术，模型适应性和优先级选择、氮氧化物排放预测功能、便捷人机操作系统见图5~图7。
氨水在炉内可能产生的反应式如下，这17个反应式会伴随着脱硝的过程同时存在：
4NO 4NH3 O2→4N2 6H2O（1）
6NO 4NH3→5N2 6H2O（2）
6NO2 8NH3→7N2 12H2O（3）
2NO2 4NH3 O2→3N2 6H2O（4）
4NH3 3O2→2N2 6H2O（5）
4NH3 5O2→4NO 6H2O（6）
4NH3 7O2→4NO2 6H2O（7）
2NH3 2O2→N2O 3H2O（8）
2NH3 8NO→5N2O 3H2O（9）
4NO 4NH3 3O2→4N2O 6H2O（10）
12NO2 16NH3 7O2→14N2O 24H2O（11）
2SO2 O2→2SO3（12）
NH3 SO3 H2O→NH4HSO4（13）
2NH3 SO3 H2O→（NH4）2SO4（14）
2NH4HSO4→（NH4）2SO4 H2SO4（15）
NH4HSO4 NH3→（NH4）2SO4（16）
NH3 HCl→NH4Cl（17）
在追求氨水利用率高的时候，系统会选择反应式（1）~（4）为主要反应的区域进行脱硝反应，此时氨水用量最小。当氨水用量少到极致，氨逃逸仍然无法控制时，系统会智能调整氨水的喷射方案，以增加在氨逃逸少的区域喷射的氨水比例，此时，反应式（5）~（17）所占的比例也会增加，氨水的脱硝利用率不是最高，但氨逃逸极少。与改造前相比虽然氨水用量有所增加，但减少了氨逃逸，对下一步有效控制氨逃逸打下了良好的基础。
3 效果
表2是使用高效智能SNCR脱硝系统后调试期间的运行数据。表3是使用高效智能SNCR脱硝系统后从河北省污染源自动监控平台导出的窑尾排放数据。
从表2、表3可以看出：（1）采用“稳定煅烧 分级燃烧 SNCR 系统密封治理 智能脱硝”的综合技术路线，完全可以满足目前严格的环保排放要求，对现有新型干法熟料线进行超低排放综合治理实现NOx的超低排放具有示范意义。
（2）项目具有较高的可靠性。
（3）在项目投资费用、运行成本费用方面，对比国内其他的脱硝技术路线，具有较好的经济性。
（4）推广“稳定煅烧 分级燃烧 SNCR 系统密封治理 智能脱硝”的综合技术路线，对促进生态环境好转，推进当地污染物减排，保障职工及周边群众健康具有重要意义。
内容来源：邢台金隅冀东水泥有限公司
从2018年11月开始，我公司对临城分公司和牛山分公司2条4 000 t/d熟料生产线分别进行了氮氧化物超低排放综合治理项目改造，改造后，氮氧化物排放折算浓度平均值为39.9 mg/Nm3，并长期稳定在50 mg/Nm3以内，满足了《2019年邢台市工业污染深度治理攻坚战方案》的要求，率先在邢台地区实现了氮氧化物的超低排放。
1 第一阶段改造
第一阶段，我们按照“五稳保一稳”的原则，采用“稳定煅烧 分级燃烧 SNCR 系统密封治理”的综合技术路线，对整个工艺系统进行了综合治理。
1.1 改造措施
1.1.1 稳定煅烧
采用DF-5701元素在线分析仪，实施了连续稳定在线配料项目改造，采用先进的司德伯秤、气悬浮风机、陶瓷内筒、高效锁风装置，经过用风、用煤、稳料等“五稳”项目的实施，确保了整个工艺系统的连续稳定，并降低了氮氧化物的本底值，降低了系统的氧含量，降低了能源消耗，为分级燃烧降低氮氧化物排放，打下了坚实的基础。
1.1.2 分级燃烧
分级燃烧采用蒸汽低氨燃烧脱硝技术。水泥窑蒸汽低氨燃烧脱硝技术是依据分解炉的具体情况，对系统的风、料、煤、烟室缩口结构，入分解炉管道位置和角度，C4撒料箱等相关设备进行技术升级，通过煤粉在分解炉下锥体部位无焰贫氧燃烧产生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。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NOx总量，减少SNCR氨水使用量和高产优质稳定运行的目的。
1）改造燃烧器定制
把4个贫氧燃烧器定制安装在分解炉锥体底部膨胀节以上适当位置，另外2个燃烧器定制安装在三次风管以上合适位置。煤粉经分煤器、输煤管道进入改造后的4个贫氧燃烧器定制和另外2个燃烧器定制，喷入分解炉中。煤粉分级改造设计及现场图见图1。
2）改造C4下料管
C4下料管中的生料，通过分料阀进入分解炉的锥体位置，可以达到调节分解炉锥体温度，防止高温结皮现象的产生。同时使部分物料进入改造的低氧还原区，利用生料中氧化钙等金属氧化物对煤焦及煤粉的催化作用，还原窑炉内生成的NOx。根据原系统的运行状况，我们对原C4下料管下料的位置进行改造，具体方案为：
在原分解炉C4两个下料管中，来料分成两部分，一部分料进入上面的C4下料管。一部分料进入下面的C4下料管。
把上面的C4撒料盒及分料阀以下的下料管拆除掉，根据设计把撒料盒重新开孔提高安装，重新布置下料管的位置。
把下面C4下料管的撒料盒根据设计抬高到合适位置，并安装新的可调式撒料盒及下料管，把分料管的锁风阀更换成新的微动锁风阀。将分出的部分生料经新改造的下料管、微动锁风阀、可调式撒料盒喂入分解炉锥体下部的燃烧器定制和蒸汽喷枪位置的上方合适位置。制作分料阀及锁风阀的操作平台护栏及爬梯，外表面做除锈刷漆处理。
C4下料管改造设计与现场图见图2。
3）三次风管改造
为了使低氧还原区具有充足的反应空间，我们将分解炉三次风管进行上移改造。根据窑型设计，在分解炉原三次风管进口上部直筒合适位置重新开孔，把进入分解炉的三次风管上移，使其均匀抬高至合适的高度，三次风管与分解炉上新开的开口对接。再把原分解炉上三次风进口封闭，使其形成新的三次风通道，三次风管制作新的平台及护栏。分解炉三次风管进入分解炉处进行优化处理。三次风管上移改造设计及现场图见图3。
1.1.3 主输煤管道技改
根据工艺需求将原窑尾输煤主煤管由Φ325 mm变为Φ273 mm×8.0 mm无缝钢管，长度约120 m。
1.1.4 SNCR喷枪系统技改
为了确定两条生产线的氨水最佳喷入点位置，我们进行了大量的摸索调整，从分解炉出口、C5出口、分解炉喷枪多层布置、C5锥部等部位，不断试验，寻求氮氧化物排放本底值最低、氨水用量最少、SNCR脱硝效率最佳的喷氨点位组合方式。最终确定了两条生产线均在C5上升烟道上共安装6支脱硝喷枪，氨水及雾化所需要的压缩空气都从原脱硝系统控制柜内引出，控制系统保持不变。
1.1.5 系统密封治理
立磨喂料系统原使用的为回转下料器，漏风量大，窑尾排放氧含量高，会导致氮氧化物折算值升高，影响氮氧化物超低排放实施效果。因此我们对其转子秤进行了改造，控制喂料器运转速度，将料位稳定在设定的范围之内，最大程度地减少了系统漏风。改造后，窑尾烟囱氧含量检测值稳定在6.0%，达到了最优状态。
1.2 改造效果
经过第一阶段的改造，氮氧化物排放折算浓度平均值为43.1 mg/Nm3，氨水用量约1.05 m3/h，并能保持稳定，对熟料产质量均没有负面影响。改造前后对比见表1。
2 第二阶段改造
2.1 确定改造方案
经过第一阶段的综合治理，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放指标初步达到邢台市要求的超低排放目标值（颗粒物低于10 mg/Nm3、SO2低于50 mg/Nm3、NOx低于50 mg/Nm3）。随后邢台市大气污染防治领导小组办公室又进一步强化了重点大气污染企业的总量控制，为适应邢台市日益严峻的环保政策及目前国内最严格的环保排放标准，需进一步降控NOx。经综合对比分级燃烧 低温SCR技术、复合催化剂HECDC-II技术的各项经济技术指标，发现在现有分级燃烧基础上，配合高效智能SNCR脱硝系统实现超低排放是当前相对性价比最优的技术路线，且该项目建设周期短、解决问题快，能尽快实现正常生产。
2.2 高效智能脱硝改造措施
2.2.1 喷枪分层布置
高效智能脱硝系统喷枪分层布置，根据实时特定工况下每层喷枪的脱硝效率差异调整每组喷枪的氨水流量和压缩空气压力，以实现高效脱硝。在烟气流向通道上预开多个喷枪安装孔，在调试时测试每个孔的相对脱硝效率，在这些预开孔中筛选出脱硝效率最高的孔做为喷枪的安装位置。见图4。
2.2.2 集成控制单元
我们将可靠性高、精度高的测量仪器和控制阀门都集成为一个整体，便于现场安装和维护。
2.2.3 在线氨气检测分析仪
为实现氨逃逸的控制，需要精确采集预热器一级出口的氨逃逸数据，为此我们还专门配置了精准的氨逃逸监测仪。
2.2.4 智能系统软件
高效智能SNCR系统通过与装配PLC和现有DCS系统建立通讯连接，采用智能软件学习全部数据驱动的方法来分析烧成系统，模拟特定工艺条件对现有SNCR喷枪效率的影响，帮助选择合适的喷嘴和安装位置，使氨水在NOx含量高的区域充分反应，避免不必要的氨逃逸（高效利用氨水）。软件核心技术，模型适应性和优先级选择、氮氧化物排放预测功能、便捷人机操作系统见图5~图7。
氨水在炉内可能产生的反应式如下，这17个反应式会伴随着脱硝的过程同时存在：
4NO 4NH3 O2→4N2 6H2O（1）
6NO 4NH3→5N2 6H2O（2）
6NO2 8NH3→7N2 12H2O（3）
2NO2 4NH3 O2→3N2 6H2O（4）
4NH3 3O2→2N2 6H2O（5）
4NH3 5O2→4NO 6H2O（6）
4NH3 7O2→4NO2 6H2O（7）
2NH3 2O2→N2O 3H2O（8）
2NH3 8NO→5N2O 3H2O（9）
4NO 4NH3 3O2→4N2O 6H2O（10）
12NO2 16NH3 7O2→14N2O 24H2O（11）
2SO2 O2→2SO3（12）
NH3 SO3 H2O→NH4HSO4（13）
2NH3 SO3 H2O→（NH4）2SO4（14）
2NH4HSO4→（NH4）2SO4 H2SO4（15）
NH4HSO4 NH3→（NH4）2SO4（16）
NH3 HCl→NH4Cl（17）
在追求氨水利用率高的时候，系统会选择反应式（1）~（4）为主要反应的区域进行脱硝反应，此时氨水用量最小。当氨水用量少到极致，氨逃逸仍然无法控制时，系统会智能调整氨水的喷射方案，以增加在氨逃逸少的区域喷射的氨水比例，此时，反应式（5）~（17）所占的比例也会增加，氨水的脱硝利用率不是最高，但氨逃逸极少。与改造前相比虽然氨水用量有所增加，但减少了氨逃逸，对下一步有效控制氨逃逸打下了良好的基础。
3 效果
表2是使用高效智能SNCR脱硝系统后调试期间的运行数据。表3是使用高效智能SNCR脱硝系统后从河北省污染源自动监控平台导出的窑尾排放数据。
从表2、表3可以看出：（1）采用“稳定煅烧 分级燃烧 SNCR 系统密封治理 智能脱硝”的综合技术路线，完全可以满足目前严格的环保排放要求，对现有新型干法熟料线进行超低排放综合治理实现NOx的超低排放具有示范意义。
（2）项目具有较高的可靠性。
（3）在项目投资费用、运行成本费用方面，对比国内其他的脱硝技术路线，具有较好的经济性。
（4）推广“稳定煅烧 分级燃烧 SNCR 系统密封治理 智能脱硝”的综合技术路线，对促进生态环境好转，推进当地污染物减排，保障职工及周边群众健康具有重要意义。
内容来源：邢台金隅冀东水泥有限公司
