降低氨水消耗的途径

引言

我公司现有一条4500t/d新型干法水泥熟料生产线，是中国中材国际工程股份有限公司总包项目，由天津水泥设计院设计，采用双系列预热器及TTF型分解炉，回转窑规格为φ4.8m×72m，SNCR脱销设施2016年投运后，NOx排放量按400mg/Nm?限值控制，氨水消耗量居高不下，吨熟料氨水消耗量在5.0kg/t左右，通过对氨水消耗高的原因进行深入分析，从原燃料、工艺操作，技改及脱硝设施各方面进行优化，在降低氮氧化物排放量的同时，使氨水消耗量也不断减少。2021年氮氧化物排放限值为100mg/Nm?的条件下，氨水消耗降至3.4kg/t以下。

一、氨水用量大的原因分析

水泥回转窑在高温煅烧时，会产生大量的氮氧化物，为了降低氮氧化物的排放量，减少对环境的污染，2016年建设SNCR脱硝系统并投入使用，投入后氨水消耗居高不下，部分月度氨水消耗超过6.0kg/t，在氮氧化物400mg/Nm?排放限值下且存在超标风险。部门成立了相关的攻关小组，对使用燃料、操作工艺、喷枪雾化情况、喷枪位置、进厂氨水质量把控等方面逐一排查，通过分析，总结氨水用量大、氮氧化物浓度偏高的原因主要有三方面：一是回转窑和分解炉内本体产生的氮氧化物偏高；二是氨水雾化不好，喷的位置不佳，脱硝效率低；三是使用的原燃材料和氨水的质量不稳定。

二、采取的措施

1.严格把控进厂氨水质量，使用的氨水浓度指标要求≥20%，每车氨水进厂后，在卸车时间内不定时抽查取样，同时对比泵出口氨水浓度，发现部分供应商运输罐车存在罐中罐，及时进行堵漏，确保进厂使用的氨水浓度均达标。

2.优化氨水喷枪位置，通过不断摸索和尝试实验，最终确定了氨水喷枪的位置。将原设计在分解炉中部位置的上下两层均匀环形分布的十只氨水喷枪更换到在C?出口A、B列各安装三只喷枪，且环向均匀分布，另外分解炉出口位置安装三只喷枪环向均匀分布，位置优化后吨熟料氨水消耗下降0.5kg。

3.通过分解炉分级燃烧的技改，降低回转窑和分解炉本体氮氧化物浓度，同时在分级燃烧技改后，对配套的原煤挥发分指标做出调整，在分级燃烧技改前，我公司使用挥发份为12%~14%的中煤，因挥发份低的煤着火温度高、燃烧速度慢，在分解炉还原区内，形成还原气氛比较困难，脱硝效果较差，更换为挥发份在22%~24%的煤后，脱硝效果明显提升，分级燃烧技改后，在氨水消耗不变的情况下，氮氧化物排放值由150mg/Nm?降至70mg/Nm?。

三、提高喷枪雾化效果，降低氨水消耗

对于已经投产的回转窑而言，采用何种燃料、NOx的初始浓度等都相对稳定在一个区间，反应区间的烟气温度在煤、料质量及产量的波动下，要想始终维持在最佳的反应温度内很难控制，因此增加还原剂(氨气)与烟气的混合程度及还原剂在反应温度区间的停留时间，是提高脱硝效率的关键，SNCR通常采用喷枪对氨水进行雾化，喷射进入炉内从而进行反应，只有雾化到最佳的粒径，还原剂才能在有效的反应区间内迅速参加反应，因此氨水雾化程度是其中的重中之重，在实际运行中雾化效果却没有达到理想状态，导致氨水消耗上升，脱硝效率降低。

1.影响喷枪雾化效果的原因

窑炉在生产运行中，工况是不断变化的，喷氨流量需不断调整，而分配阀比例固定后无法随着氨水变化进行调整，受流体力学的影响，氨水流量变化后，母管上各分支处的压力是不尽相同的，导致各分支流量分配不均，再加上喷氨喷枪通常设有三个接口：冷却风接口、雾化空气接口、氨水接口，处于节省成本考虑，会将雾化空气及冷却风设置为一路供气，雾化空气母管直接设置在喷枪处单独对喷枪进行调节，冷却风和雾化风会出现抢风的情况，导致喷氨的雾化各个喷枪出现差异，甚至部分喷枪出现氨水与雾化空气压力相同，从而出现脉动压力或喷枪直接不喷，达不到各喷枪协同的效果，脱硝效率降低，氨水消耗上升。

喷枪使用过程中会频繁出现堵塞，其主要原因为雾化不佳、冷却风偏小或喷氨过量的氨水与烟气中灰尘结皮，久而久之越积越厚从而导致喷枪堵塞，生产工艺决定了此种情况无法避免，也会造成氨水的浪费及氨逃逸。

2.提高喷枪雾化效果的措施

为提高喷枪雾化效果，必须解决各个分支喷枪上氨水压力不均、雾化空气压力不均的问题，这样即便窑、炉工况变化，各个喷枪的雾化也始终保持一致(雾化空气的设计同样道理)。具体方法如下：

(1)在氨水分配阀后加压力表，各支管在压力调整一致的情况下调整分配阀，确保在氨水任何流量调整的情况下，各支管压力一致，从而任何流量的情况下各支管流量分配均匀。

(2)各喷枪雾化用风与冷却用风分离，冷却风与雾化用风均独立布管，冷却用风管道布置在截止阀之前，另外加设雾化用风分配阀，使每根喷枪气体压力相同，压缩空气流量均匀分配。实际优化后的管路布置如图1。

 

通常调节氨水压力比雾化空气压力高一点，氨水的雾化压力越高，其得到的动能越大，雾化的效果也会越好，其在反应温度区间也能更快地完成反应，压力高值也不能太大，约在0.01MPa或稍高为佳，确保喷枪的各支管在任何流量下都能调到良好的雾化效果。

(3)对于各分支喷氨及雾化空气调节阀门的选用，不锈钢球阀或截止阀都能达到要求，但截止阀的调节线性相对球阀而言要更好一些，因此精准调节建议选用不锈钢截止阀。

(4)改善喷枪结皮、堵塞采取的措施有：

A.喷枪的枪杆探出炉壁一定的距离，以10~15cm为佳，但不宜过短过长，过短起不到防阻塞作用，过长又容易导致被异物(挂壁灰块)，砸弯或砸断。改善因喷枪堵塞、结皮导致的脱销效率降低；

B.冷却风与雾化用风分离后，适当增加喷枪冷却风的压力及流量，不但能延长喷枪的使用寿命，也可以有效减轻喷枪头部结皮堵塞，减少因喷枪头部结皮堵塞造成的脱硝效率降低，减少氨逃逸。

通过优化氨水分配方式、喷枪冷却用风及雾化用风分离，调节喷枪入炉的距离及增加喷枪冷却风量等改进措施，喷枪雾化效果明显改善，氨水用量对比改进之前，小时流量减少200~300ml，脱硝效率明显上升，有效降低脱销成本及降低氨逃逸。

四、改造效果

通过这几年的不断摸索和改进，我公司的氮氧化物排放量逐年降低，脱硝效率大幅提升，具体数据见表1。

 

五、结束语

我公司践行央企使命担当，在节能减排持续改进、降低氨水消耗量的同时，率先达到氮氧化物超低排放水平，在为企业节省生产成本的同时，努力为保护环境做出应有的贡献。

作者：苏军，王高峰，刘伟涛