2013-11-28 11:37:29 来源:水泥人网

水泥窑烟气脱硝SNCR技术浅析

国发【2011】26号文件即《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》明确指出:“十二五”期间,全国氮氧化物排放量比“十一五”削减10%。众所周知,在生产水泥熟料的过程中,氮氧化物的排放量相当巨大,截止到2011年底,我国在役新型干法水泥生产能力为25.94亿吨,生产线1513条;2012年全国新增水泥生产线98条,新增新型干法熟料产能1.315亿吨,折合水泥产能2.087亿吨,占总新型干法熟料产能的8.14%(数据来源于中国水泥协会、中国水泥网),是继火电、机动车尾气之后的第三大排放源,严重危害生态环境和人体健康。为此,水泥脱硝义不容辞,刻不容缓。

目前,水泥窑炉SNCR技术原理都是一样的,只是还原剂选用不同,分别为液氨、氨水和尿素。液氨属于重大危险源,安全方面需要考虑的问题非常多,一般水泥企业不会采用;尿素相对容易储存,但尿素本身不能参加脱硝反应,只能将尿素热解或者电解成氨才能起作用,转化需要消耗大量的能量,初始投资成本相对比较高,运行成本也随之增加;氨水不属于重大危险源,采购、运输和储存相对比较方便,所以绝大多数企业选择使用氨水作为还原剂,浓度一般为20%。

1、SNCR技术脱硝原理

在800~1100℃范围内,采用氨水作为还原剂,在分解炉内或一定位置还原剂与NOx进行反应,将NOx转化成无污染的N2和H2O,SNCR技术不需要催化剂。

还原NOX的主要反应为:

8NH3+6NO+3O2→7N2↑+12H2O

当温度高于1100℃时,NH3则会被氧化为NO,即:4NH3+5O2→4NO↑+6 H2O该反应会增加氨水的耗量,提高运行成本,在设计时要充分考虑并于避免。

2、SNCR技术脱硝工艺流程

很多企业都在使用该工艺路线图,但很少有企业真正清楚该工艺路线!真正了解炉内流场的分布!真正懂得各种物料的配比!而且好多企业为拿到项目不断的降低配置,致使系统运行不稳定,效率无法保证。

3、SNCR技术脱硝工艺组成

SNCR技术脱硝工艺组成包括氨水储存模块、除盐水储存模块、分配计量模块、喷射模块、系统保护模块和供电控制模块。

还原剂氨水通过车辆运输并装载入氨水储存罐,通过循环输送泵在混合器中与除盐水混合,根据设定的参数和系统反馈信号,氨水溶液经混合后进入喷射系统,在喷枪内与压缩空气混合,雾化后喷入炉膛内。使之与烟气中的NOx反应,并将其还原成氮气和水。

公司在四川某水泥厂4000t/d生产线上实施了SNCR烟气脱硝技术,于2012年12月完成系统调试并投入运行。从调试过程中DCS显示的数据以及后期的环保检测来看,系统运行正常,性能满足设计要求。

1)、系统的设计参数

2)、项目中设备的配置

氨水储存罐采用不锈钢材质,氨水输送系统中的泵、阀门、管道全部采用不锈钢材质。为了保证系统的正常稳定运行,专门设置了冷却风系统。氨区的设备布置和冷却风布置如下图:

根据现场实际以及计算机模拟的结果,在分解炉中上部以及鹅颈的入口分别设置了一层喷枪,每层布置六支喷枪,喷枪各部件均采用不锈钢材料制造,喷嘴头材质为哈氏合金,喷枪其它部分为316L材质,套管采用310材质。整个喷枪选材充分考虑其耐高温、耐腐蚀、耐磨蚀等要求。本项目中选用的喷枪安装图和喷雾试验情况如图所示:

经过设备单体调试和联动试验,系统控制系统指令正确,各个设备运转正常,DCS显示的数据如下:

(注:热态运行的氨水浓度为17%,在实际使用过程中先期稀释成15%的氨水。)

经过六个月连续运行,当地环保部门对SNCR脱硝系统进行了效率测试,检测数据如下:

由以上数据可以看出,脱硝效率达到甚至超过了设计值,说明SNCR技术在水泥窑脱硝项目中是完全可行的。总结项目执行过程中的经验,本人以为以下几点值得重点关注:

1)、需要搞清楚炉内流场的分布情况

在项目执行以前,公司就根据分解炉的结构特点,结合窑炉物料的配比、风的用量以及投煤燃烧情况对窑炉的流场分布情况进行了CFD模拟,确定炉膛原始流场的分布和NOX分布情况。

2)、氨水喷入位置的选择

新型干法水泥窑炉SNCR技术脱硝的喷氨位置一般都在分解炉上,即在分解炉找一个合适的温度区域喷入氨水。从SNCR技术脱硝原理可以看出,在800~1100℃范围内NOX被还原成了氮气,温度过低则反应速度明显下降,会造成大量的氨逃逸;温度过高氨会被氧化成了NO,又会增加氨的消耗,造成脱硝成本升高。同时,了解了原始流场情况、NOX分布情况和窑炉的温度情况,就可以布置喷枪位置了。

喷枪布置过程中应注意以下几个问题:

a) 喷枪必须布置在温度介于800~1100℃区域,而且反应必须有足够的时间;

b) 选择合适喷枪形式并合理布置;

c) 氨和NOX必须充分混合。

这个问题是SNCR技术脱硝系统中至关重要的,因为这些问题不仅仅就是这些问题!这些问题直接关系到脱硝的效率、氨的耗量和逃逸问题等等。

这样,经过反复校核,最终得出的流场分布情况如下:

3)、氨水的储存问题

氨水是氨气的水溶液,是一种无色透明液体,有强烈刺鼻气味,呈弱碱性,具有一定的腐蚀作用,碳化氨水的腐蚀性更加严重,对铜的腐蚀比较强,钢铁比较差,对水泥腐蚀不大,对木材也有一定腐蚀作用。氨水易挥发出氨气,随温度升高和放置时间延长而增加挥发率,且随浓度的增大挥发量增加。氨水易分解放出氨气,温度越高,分解速度越快,可形成爆炸性气氛;若遇高热,容器内压增大,有开裂和爆炸的危险。

由于氨水在空气中存放会挥发,吸收二氧化碳后又会生成碳铵(即

2NH3·H2O+CO2=(NH4)2CO3+H2O),两者都不利于SNCR技术的实行,因此氨水储罐的设计细节就得考虑仔细。

由于氨分解可能形成爆炸性气氛(爆炸极限为16%~25%),应该注意氨水储

罐泄压和有效容积问题,必要时考虑装备冷却系统。全国多次发生氨水储罐补焊爆炸的案例:如1993年某化肥厂氨水储罐拆卸过程中发生爆炸;2012年某企业因为对氨水储罐进行补焊发生爆炸等等。

4)、控制系统

单独就SNCR技术脱硝系统而言,系统控制的点数不是很多,PLC控制就足够了。

目前新型干法窑水泥企业都采用DCS控制系统,配备工程师站和足够的操作员站,如果系统冗余点数足够,可以考虑借助业主的DCS系统,利用冗余点,在原有的窑尾控制画面中增加一个链接,能够直接进入脱硝主画面即可。

这样做能够减少重复投资,也可以不增加运行管理人员,对业主的投资成本和管理成本都大有好处。

总结

首先,SNCR技术在新型干法水泥窑上脱硝是可行的,结果能满足国家环保要求。

第二、不管是原理还是工艺流程,SNCR技术都不算复杂,但各种设备的选型、位置的布置还是相当有讲究的。目前,做水泥窑脱硝的企业很多,但是能周到考虑各种因素,将脱硝系统做到可靠、稳定运行的不多,希望水泥企业能多方比较、慎重选择,最终为自己选择一套合适的系统。

国发【2011】26号文件即《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》明确指出:“十二五”期间,全国氮氧化物排放量比“十一五”削减10%。众所周知,在生产水泥熟料的过程中,氮氧化物的排放量相当巨大,截止到2011年底,我国在役新型干法水泥生产能力为25.94亿吨,生产线1513条;2012年全国新增水泥生产线98条,新增新型干法熟料产能1.315亿吨,折合水泥产能2.087亿吨,占总新型干法熟料产能的8.14%(数据来源于中国水泥协会、中国水泥网),是继火电、机动车尾气之后的第三大排放源,严重危害生态环境和人体健康。为此,水泥脱硝义不容辞,刻不容缓。

目前,水泥窑炉SNCR技术原理都是一样的,只是还原剂选用不同,分别为液氨、氨水和尿素。液氨属于重大危险源,安全方面需要考虑的问题非常多,一般水泥企业不会采用;尿素相对容易储存,但尿素本身不能参加脱硝反应,只能将尿素热解或者电解成氨才能起作用,转化需要消耗大量的能量,初始投资成本相对比较高,运行成本也随之增加;氨水不属于重大危险源,采购、运输和储存相对比较方便,所以绝大多数企业选择使用氨水作为还原剂,浓度一般为20%。

1、SNCR技术脱硝原理

在800~1100℃范围内,采用氨水作为还原剂,在分解炉内或一定位置还原剂与NOx进行反应,将NOx转化成无污染的N2和H2O,SNCR技术不需要催化剂。

还原NOX的主要反应为:

8NH3+6NO+3O2→7N2↑+12H2O

当温度高于1100℃时,NH3则会被氧化为NO,即:4NH3+5O2→4NO↑+6 H2O该反应会增加氨水的耗量,提高运行成本,在设计时要充分考虑并于避免。

2、SNCR技术脱硝工艺流程

很多企业都在使用该工艺路线图,但很少有企业真正清楚该工艺路线!真正了解炉内流场的分布!真正懂得各种物料的配比!而且好多企业为拿到项目不断的降低配置,致使系统运行不稳定,效率无法保证。

3、SNCR技术脱硝工艺组成

SNCR技术脱硝工艺组成包括氨水储存模块、除盐水储存模块、分配计量模块、喷射模块、系统保护模块和供电控制模块。

还原剂氨水通过车辆运输并装载入氨水储存罐,通过循环输送泵在混合器中与除盐水混合,根据设定的参数和系统反馈信号,氨水溶液经混合后进入喷射系统,在喷枪内与压缩空气混合,雾化后喷入炉膛内。使之与烟气中的NOx反应,并将其还原成氮气和水。

公司在四川某水泥厂4000t/d生产线上实施了SNCR烟气脱硝技术,于2012年12月完成系统调试并投入运行。从调试过程中DCS显示的数据以及后期的环保检测来看,系统运行正常,性能满足设计要求。

1)、系统的设计参数

2)、项目中设备的配置

氨水储存罐采用不锈钢材质,氨水输送系统中的泵、阀门、管道全部采用不锈钢材质。为了保证系统的正常稳定运行,专门设置了冷却风系统。氨区的设备布置和冷却风布置如下图:

根据现场实际以及计算机模拟的结果,在分解炉中上部以及鹅颈的入口分别设置了一层喷枪,每层布置六支喷枪,喷枪各部件均采用不锈钢材料制造,喷嘴头材质为哈氏合金,喷枪其它部分为316L材质,套管采用310材质。整个喷枪选材充分考虑其耐高温、耐腐蚀、耐磨蚀等要求。本项目中选用的喷枪安装图和喷雾试验情况如图所示:

经过设备单体调试和联动试验,系统控制系统指令正确,各个设备运转正常,DCS显示的数据如下:

(注:热态运行的氨水浓度为17%,在实际使用过程中先期稀释成15%的氨水。)

经过六个月连续运行,当地环保部门对SNCR脱硝系统进行了效率测试,检测数据如下:

由以上数据可以看出,脱硝效率达到甚至超过了设计值,说明SNCR技术在水泥窑脱硝项目中是完全可行的。总结项目执行过程中的经验,本人以为以下几点值得重点关注:

1)、需要搞清楚炉内流场的分布情况

在项目执行以前,公司就根据分解炉的结构特点,结合窑炉物料的配比、风的用量以及投煤燃烧情况对窑炉的流场分布情况进行了CFD模拟,确定炉膛原始流场的分布和NOX分布情况。

2)、氨水喷入位置的选择

新型干法水泥窑炉SNCR技术脱硝的喷氨位置一般都在分解炉上,即在分解炉找一个合适的温度区域喷入氨水。从SNCR技术脱硝原理可以看出,在800~1100℃范围内NOX被还原成了氮气,温度过低则反应速度明显下降,会造成大量的氨逃逸;温度过高氨会被氧化成了NO,又会增加氨的消耗,造成脱硝成本升高。同时,了解了原始流场情况、NOX分布情况和窑炉的温度情况,就可以布置喷枪位置了。

喷枪布置过程中应注意以下几个问题:

a) 喷枪必须布置在温度介于800~1100℃区域,而且反应必须有足够的时间;

b) 选择合适喷枪形式并合理布置;

c) 氨和NOX必须充分混合。

这个问题是SNCR技术脱硝系统中至关重要的,因为这些问题不仅仅就是这些问题!这些问题直接关系到脱硝的效率、氨的耗量和逃逸问题等等。

这样,经过反复校核,最终得出的流场分布情况如下:

3)、氨水的储存问题

氨水是氨气的水溶液,是一种无色透明液体,有强烈刺鼻气味,呈弱碱性,具有一定的腐蚀作用,碳化氨水的腐蚀性更加严重,对铜的腐蚀比较强,钢铁比较差,对水泥腐蚀不大,对木材也有一定腐蚀作用。氨水易挥发出氨气,随温度升高和放置时间延长而增加挥发率,且随浓度的增大挥发量增加。氨水易分解放出氨气,温度越高,分解速度越快,可形成爆炸性气氛;若遇高热,容器内压增大,有开裂和爆炸的危险。

由于氨水在空气中存放会挥发,吸收二氧化碳后又会生成碳铵(即

2NH3·H2O+CO2=(NH4)2CO3+H2O),两者都不利于SNCR技术的实行,因此氨水储罐的设计细节就得考虑仔细。

由于氨分解可能形成爆炸性气氛(爆炸极限为16%~25%),应该注意氨水储

罐泄压和有效容积问题,必要时考虑装备冷却系统。全国多次发生氨水储罐补焊爆炸的案例:如1993年某化肥厂氨水储罐拆卸过程中发生爆炸;2012年某企业因为对氨水储罐进行补焊发生爆炸等等。

4)、控制系统

单独就SNCR技术脱硝系统而言,系统控制的点数不是很多,PLC控制就足够了。

目前新型干法窑水泥企业都采用DCS控制系统,配备工程师站和足够的操作员站,如果系统冗余点数足够,可以考虑借助业主的DCS系统,利用冗余点,在原有的窑尾控制画面中增加一个链接,能够直接进入脱硝主画面即可。

这样做能够减少重复投资,也可以不增加运行管理人员,对业主的投资成本和管理成本都大有好处。

总结

首先,SNCR技术在新型干法水泥窑上脱硝是可行的,结果能满足国家环保要求。

第二、不管是原理还是工艺流程,SNCR技术都不算复杂,但各种设备的选型、位置的布置还是相当有讲究的。目前,做水泥窑脱硝的企业很多,但是能周到考虑各种因素,将脱硝系统做到可靠、稳定运行的不多,希望水泥企业能多方比较、慎重选择,最终为自己选择一套合适的系统。

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