4500吨熟料水泥生产线SNCR脱硝方案.docx

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4500吨熟料水泥生产线SNCR脱硝方案

一、工程背景和概况

1.1项目实施背景

氮氧化物及其危害：

氮氧化物（NOx）是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的总称。

造成大气污染的主要是指NO和NO2。

NO是煤燃烧时的主要副产物，主要来源于燃烧时煤中N的氧化及高温空气中N2和O2的反应。

氮氧化物主要侵入呼吸道深部的细支气管及肺泡。

当人们长期处于氮氧化物浓度过高的环境中会导致死亡，室内氮氧化物的质量浓度不能超过5mg/m3。

氮氧化物不仅是导致酸雨形成的主要原因之一，也是造成光化学烟雾的根本原因，其产生的温室效应约是CO2的200～300倍，其污染产生的经济损失和防治所需价值量比SO2约高出33.3％；NOx还可转化为硝酸盐颗粒，形成PM2.5，增加颗粒物的污染浓度、毒性和酸性。

目前，我国拥有水泥企业近5000家，产量已连续多年位居世界首位。

2010年全国累计水泥总产量18.7亿吨，其中，新型干法水泥比重达到80%。

来自国家发改委的数据显示，截至2010年年底，采用国内技术和装备建设的新型干法水泥生产线已经达1300多条，日产4000吨、5000吨水泥生产线占60%左右，总计800多条生产线。

回转窑是新型干法水泥物料烧成的关键技术装备，也是水泥行业氮氧化物排放的主要来源。

水泥行业中，煅烧水泥熟料时生成一氧化氮的途径主要有热力氮氧化物、瞬发氮氧化物、燃料氮氧化物和生料氮氧化物4种。

在回转窑产生的废气中，二氧化氮一般仅占氮氧化物总量的5%以下，一氧化氮则占总量的95%以上

水泥行业在全国各行业中全国NOX排放总量排在第三位，约占全各行业的10%左右。

在总量减排中占有很大比例。

根据2010年对多家水泥企业的调研，水泥厂的大气污染物粉尘基本上得到了控制，但是氮氧化物已成为主要废气污染源。

比如，对于每条4500t/d的熟料新型干法水泥生产线而言，企业每年需缴纳排污费150万～210万元，其中，氮氧化物排污费约占85%，即每年氮氧化物排污费130万～180万元。

脱硫脱硝工程列入“十二五”节能规划十大节能工程，在《“十二五”节能减排规划》中明确规定，“脱硝”作为约束性硬指标，火电行业氮氧化物排放量要求削减29%，水泥行业削减12%。

到2015年，电力行业完成4亿千瓦现役燃煤机组脱硝设施建设，对7000万千瓦燃煤机组实施低氮燃烧技术改造，预计脱硝行业市场总量将超过1500亿元。

同时，水泥、钢铁等行业的氮氧化物的排放指标将会逐步纳入监管范围。

工业和信息化部发布的《水泥行业准入条件》（工原[2010]第127号文件）中也提到，“对水泥行业大气污染物实行总量控制，新建或改扩建水泥（熟料）生产线项目须配置脱除NOX效率不低于60%的烟气脱硝装置”。

GB4915-2004《水泥工业大气污染物排放标准》，水泥窑NOX排放量应小于800mg/Nm3（折算为NO2，以10%氧含量为基准）。

GB50259-2008水泥厂设计规范规定，水泥厂焚烧废弃物NOX排放量应小于500mg/Nm3（折算为NO2，以10%氧含量为基准）。

2013年12月，《水泥工业大气污染物排放标准》GB4915-2013,提出：

其中新建企业，全部执行400mg/Nm3排放浓度限值，重点地区按特别排放值320mg/Nm3或300mg/Nm3执行。

新建企业自2014年3月1日起，现有企业2015年7月1日起按以上标准执行。

氮氧化物对环境危害严重，为了改善大气环境，必须对氮氧化物的排放进行控制，因此对水泥行业脱硝系统控制的研究有很重要的工程意义和现实意义

1.2建设项目概况

项目名称：

...4500t/d熟料水泥生产线脱硝项目

项目地点：

......

项目内容：

4500t/d熟料水泥生产线SNCR脱硝项目总承包

本项目是在河南省蓝天行动计划和河南省限期治理情况下，企业积极响应政府政策，主动要求建设项目。

本项目建成后将对南阳环境做出巨大贡献。

二、设计采用的标准和规范

脱硝装置的设计、制造、安装、调试、试验及检查、试运行、考核、最终交付等符合相关的中国法律及规范，以及最新版的ISO和IEC标准。

对于标准的采用符合下述原则：

1）与安全、环保、健康、消防等相关的事项执行中国国家及地方有关法规、标准；

2）上述标准中不包含的部分采用技术来源国标准或国际通用标准，由我公司提供，招标方确认。

3）设备和材料执行设备和材料制造商所在国标准；

4）建筑、结构执行中国电力行业标准或中国国家规范及地方规范。

脱硝工程设计、制造、安装、调试、试验及检查、试运行、性能考核、最终交付中采用的所有标准、规定及相关标准的清单如下：

国家和地方现行的标准、规范及其他技术文件

GB50054－95

《低压配电设计规范》

GB50166－92

《火灾自动报警系统施工及验收规范》

GB50034－92

《工业企业照明设计标准》

GB4915－2013

《水泥行业大气污染物排放标准》

GB12348－90

《工业企业厂界噪声标准》

GB16297－1996

《大气污染物综合排放标准》

GB4272-92

《设备及管道保温技术通则》

GB8175－87

《设备及管道保温设计导则》

GB50207-2002

《屋面工程质量验收规范》

GB50013-2003

《采暖通风与空气调节设计规范》

GB50243-2002

《通风与空调工程施工质量验收规范》

GB50242-2002

《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》

GB50058-92

《爆炸火灾危险环境电力装置设计规范》

GB50212-91

《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》

GBJl41—90

《给水排水构筑物施工及验收规范》

HGJ229—91

《工业设备、管道防腐蚀工程施工及验收规范》

GB0198—97

《热工仪表及控制装置施工及验收规范》

GB50268-1997

《给水排水管道工程施工及验收规范》

SDJ69—87

《电力建设施工及验收技术规范》（建筑施工篇）

GB50168—92

《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》

GB50169—92

《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》

GB50170—92

《电气装置安装工程旋转电机施工及验收规范》

GB50171—92

《电气安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》

GB50257—96

《电气装置安装工程爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范》

GB50259—96

《电气装置安装工程电气照明施工及验收规范》

GB50212-91

《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》

GB50231-98

《机械设备安装工程施工及验收通用规范》

GB50235-97

《工业金属管道工程施工及验收规范》

GB50236-1998

《现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范》

GB50254~50259

《电气装置安装工程施工及验收规范》

GB50270-98

《连续输送设备安装工程施工及验收规范》

GB50275-98

《压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范》

HGJ209—83

《钢结构、管道涂装技术规程》

TJ231—78

《机械设备安装工程施工及验收规范》

JGJ8l—91

《建筑钢结构焊接规程》

河南省人民政府令第24号

河南省污染源限期治理管理办法

河南省人民政府

河南省蓝天工程行动计划

宛环限《2014》28号

南阳市环境污染源限期治理通知书

上述标准有矛盾时，按较高标准执行。

如有最新版本标准，按最新标准执行。

工程联系文件、技术资料、图纸、计算、仪表刻度和文件中的计量单位为国际计量单位（SI）制。

工程中的工作语言为中文，所有文件、图纸、设备标识等均为中文，如有其它语言，当中文和其它语言表述矛盾时，以中文为准。

三、脱硝系统工艺设计

3.1设计方案比较和选型

随着各项降低NOX技术在水泥工业中应用，目前在国际水泥行业较大规模推广应用的技术主要集中在低NOX燃烧器、分级燃烧技术分解炉和在选择性非催化还原技术等三项技术措施。

水泥行业各种低NOX燃烧BAT技术指标比较

工艺技术名称

效率（%）

理论排放值（mg/Nm3,10%O2）

火焰冷却

0~40

800

低NOx燃烧器

0~30

800

矿化剂

10～15

800

分级燃烧

0～50

500～1000

选择性非催化还原技术

30～85

200～500

选择性催化还原技术

50～95

150～500

水泥窑低NOX技术应用效能的比较

技术名称

可行性

效率（%）

费用

熟料质量

优化燃烧气氛

中等

15～30

低廉

下降

低NOX燃烧器

高

0～30

低廉

不变

分级燃烧

高

10～50

低廉

不变

选择性非催化还原技术

中等

50～85

中等

不变

选择性催化还原技术

低

70～90

昂贵

不变

3.2技术方案选择

降低烧成温度的方法，可以通过调整配料、加矿化剂、窑头喷水等方法降低窑内的最高温度以减少热力型NOx的形成，但从熟料和水泥性能等方面考虑这类措施并非普遍适用。

低NOx燃烧器目前在国内已经有广泛应用，但其效果受窑工况影响较大，一般NOx的排放量不能达到预期效果或效果不明显。

SCR法具有脱氮效率高的优势，在电厂锅炉脱氮被广泛应用。

但由于SCR操作温度窗口和含尘量的特殊要求，在国外水泥生产线上极少使用，而国内目前没有投运案例，主要原因为：

（1）出C1的烟气通常用于余热发电，出余热发电系统的烟气温度无法满足SCR的温度要求；

（2）窑尾框架周边基本上没有布置SCR催化剂框架的空间；（3）出C1的烟气中高浓度粉尘及其有害元素易造成催化剂破损和失效；（4）一次性投资大；烟气通过催化剂的阻力增大了窑系统的阻力；（5）催化剂每三年需要更换，运行成本高。

因此在欧洲投运的脱硝系统中SNCR系统数量大大高于SCR系统。

因此根据水泥厂的原、燃料条件、设备情况和排放要求不同，可以选择不同的NOx控制技术或者NOx控制技术相结合的方法。

根据...厂4500t/d熟料生产线的实际情况，建议采用选择性非催化还原技术

3.3水泥工业燃烧后烟气脱硝技术

水泥工业燃烧后脱硝工艺技术主要为：

选择性非催化还原技术（SNCR）、选择性催化还原技术（SCR）、选择性还原混合技术（SNCR/SCR）。

不同烟气脱硝技术的比较

脱硝技术

SCR

SNCR

SNCR/SCR混合型

还原剂

氨水、液氨、尿素

氨水、液氨、尿素

氨水、液氨、尿素

反应温度区

320～400℃

850～1100℃

前段：

850～1100℃

后段：

320～400℃

催化剂类型

TiO2、V2O5、WO3等重金属氧化物

不使用催化剂

后段加装少量TiO2、V2O5、WO3等

催化寿命

20000～24000h

不使用催化剂

20000～24000h

脱硝效率

最高可达70～90%

最高可达60～70%

最高可达70～90%

对系统通风的影响

增加系统阻力600～1000Pa，

基本不影响

增加系统阻力400～800Pa

运行成本

比SNCR高80～120%

最低

比SNCR高40～80%

主要成本

催化剂消耗、还原剂消耗、雾化介质消耗

还原剂消耗、雾化介质消耗

催化剂消耗、还原剂消耗、雾化介质消耗

占地空间

催化剂再生及催化反应、还原剂制备系统需要空间较大，

仅需要还原剂制备系统占地。

催化反应空间略小，占地中等。

投资额度

投资最高

约相当于SCR系统投资的25~30%

约相当于SCR系统投资的50~60%

适用脱硝水平

100~600mg/Nm3（10%O2）

100~800mg/Nm3（10%O2）

100~800mg/Nm3（10%O2）

经济脱硝运行水平

大型火力发电站为主，水泥厂采用较少

水泥行业烟气后脱硝以应用SNCR为主

水泥行业尚没有工程应用。

SNCR烟气脱硝技术具有经济实用的特点，虽然受到反应温度、混合等因素的制约。

但它具有系统容易加工无停工期，所占空间极小，与其它脱硝设备兼容升级性能好，运行管理方便等突出特点，SNCR系统的建设快、投资经济、运行管理灵活、脱硝成本相对低廉等优势。

3.4SNCR技术概述

选择性非催化还原法脱硝工艺（以下称SNCR），是在没有催化剂存在条件下，利用还原剂将烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水的一种脱硝方法。

该方法首先将含有氨基的还原剂喷入分解窑内适合的温度区域。

高温下，还原剂迅速分解为氨并于烟气中的氮氧化物进行还原反应生成氮气和水。

该法以分解窑为反应器，投资相对较低，施工期短。

不足之处在于该法获得的脱硝效果不如催化还原法（SCR），SNCR在实验室内的试验中可以达到90％以上的NOx脱除率。

应用在大型分解窑上，短期示范期间能达到75％的脱硝率，长期现场应用一般能达到30％～50％的NOx脱除率。

在700～1050℃范围内，NH3或尿素还原NOx的主要反应为：

NH3为还原剂4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

尿素为还原剂2NO+CO（NH2）2+½O2→2N2+CO2+2H2O

不同还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗口。

3.4.1SNCR脱硝过程

SNCR烟气脱硝过程是由下面五个基本过程组成：

·还原剂的接收和溶液制备与储存（还原剂制备系统）；

·还原剂的稀释和计量输出（还原剂稀释计量系统）；

·在分解窑炉内适当位置喷射还原剂（还原剂喷射系统）；

·还原剂与烟气混合进行脱硝反应位置安装紧急喷淋消防系统，配置氨气泄露检测仪，氨气泄露可以自动进行喷淋处理（消防系统）

·还原剂与烟气混合进行脱硝反应系统仪表和电气部分（自控系统）。

3.4.2SNCR还原剂的选择

用于SNCR脱硝工艺中常使用的还原剂有尿素、液氨和氨水。

不同还原剂的比较如下表3.2：

表3.2不同还原剂的特点

还原剂

特点

尿素

·安全原料（化肥）

·便于运输

·脱硝有效温度窗口较宽

·尿素溶解要消耗一定热量

氨水

·运输成本较大

·需要较大的存储罐

·脱硝有效温度窗口窄

·工艺简单，易于操作

液氨

·高危险性原料

·运输和存储安全性低

·费用较低

若还原剂使用液氨，则优点是脱硝系统储罐容积可以较小，还原剂价格也最便宜；缺点是氨气有毒、可燃、可爆，储存的安全防护要求高，需要经相关消防安全部门审批才能大量储存、使用；另外，输送管道也需特别处理；需要配合能量很高的输送气才能取得一定的穿透效果，一般应用在尺寸较小的焚烧炉。

若还原剂使用氨水，氨水有恶臭，挥发性和腐蚀性强，有一定的操作安全要求，但储存、处理比液氨简单；由于含有大量的稀释水，储存、输送系统比氨系统要复杂；喷射刚性，穿透能力比氨气喷射好，但挥发性仍然比尿素溶液大，应用在墙式喷射器的时候仍然难以深入到大型分解窑炉内的深部，因此一般应用在中小型窑炉上。

还原剂采用尿素，尿素不易燃烧和爆炸，无色无味，运输、储存、使用比较简单安全；挥发性比氨水小，在窑炉中的穿透性好；效果相对较好，脱硝效率高，适合于大型分解炉设备的SNCR脱硝工艺。

针对本厂水泥窑分解窑炉性质，本方案设计以氨水为还原剂较合适。

3.4.3SNCR工艺技术优势

与其它脱硝技术相比，SNCR技术具有以下优点：

a）脱硝效果令人满意：

SNCR技术应用在大型分解窑炉上，长期现场应用一般能够达到60～70％的NOx脱除率。

b）还原剂多样易得：

SNCR技术中脱除NOx的还原剂一般都是含氮的物质，包括氨、尿素、氰尿酸和各种铵盐（醋酸铵、碳酸氢铵、氯化铵、草酸铵、柠檬酸铵等）。

但效果最好，实际应用最广泛的是氨和尿素。

c）无二次污染：

SNCR技术是一项清洁的技术，没有任何固体或液体的污染物或副产物生成，无二次污染。

d）经济性好：

由于SNCR的反应是靠炉内的高温驱动的，不需要昂贵的催化剂系统，因此投资成本和运行成本较低。

e）系统简单、施工时间短：

SNCR技术最主要的系统就是还原剂的储存系统和喷射系统，主要设备有储罐、泵、喷枪和必要的管路、测控设备。

由于设备简单，SNCR技术的安装期短，仅需10天左右停炉时间，小修期间即可完成窑炉施工。

f）SNCR技术不需要对窑炉燃烧设备和受热面进行大的改动，也不需要改变窑炉的常规运行方式，对窑炉的主要运行参数也不会有显著影响。

3.4.4SNCR工艺脱硝效果的主要影响因素

SNCR方法主要使用含氮的药剂在温度区域870～1150°C喷入含NO的燃烧产物中，发生还原反应，脱除NO，生成氮气和水，

SNCR相对SCR的初投资低，停工安装期短，原理简单，硬件工艺成熟。

在SNCR技术设计和应用中，影响脱硝效果的主要因素包括：

a）温度范围；

b）合适的温度范围内可以停留的时间；

c）反应剂和烟气混合的程度；

d）未控制的NOx浓度水平；

e）喷入的反应剂与未控制的NOx的摩尔比－NSR；

f）气氛（氧量、一氧化碳浓度）的影响；

g）氮剂类型和状态；

h）添加剂的作用；

3.4.4.1温度范围的选择

实验表明，SNCR还原NO的反应对于温度条件非常敏感，温度窗口的选择是SNCR还原NO效率高低的关键，图3-6给出了NOx残留浓度与反应温度的关系曲线。

温度窗口取决于烟气组成、烟气速度梯度、窑炉结构等系统参数。

文献中报道的温度窗口差别很大，下限最低有427℃，上限最高达1150℃，最佳温度差别也很大。

一般认为理想的温度范围为800℃～1000℃，温度高，还原剂被氧化成NOx，烟气中的NOx含量不减少反而增加；温度低，反应不充分，造成还原剂流失，对下游设备产生不利的影响甚至造成新的污染。

由于窑炉内的温度分布受到负荷、煤种等多种因素的影响，温度窗口随着窑炉负荷的变化而变动。

研究发现加入其他的有些添加剂可以使NH3/NO反应的温度窗口向低温方向移动，如图3-7所示。

目前报道的添加剂包括氢气，引入的氢气变成OH使得温度窗口朝低温方向移动；过氧化氢；一氧化碳；碳氢化合物如甲烷、甲醇、乙醇、苯酚；钠盐如NaOH、HCOONa、CH3COONa、NaNO3、Na2CO3。

图3-6NOx残留浓度与反应温度的关系曲线图3-7氨中CH4添加量对温度窗口的影响

3.4.4.2合适的停留时间

图3-8停留时间对SNCR脱硝率的影响

还原剂必须和NOx在合适的温度区域内有足够的停留时间，这样才能保证烟气中的NOx还原率。

还原剂在最佳温度窗口的停留时间越长，则脱除NOx的效果越好。

NH3的停留时间超过1s则可以出现最佳NOx脱除率。

尿素和氨水需要0.3s-0.4s的停留时间以达到有效的脱除NOx的效果。

图3-8说明了停留时间对SNCR脱硝率的影响。

3.4.4.3还原剂

用于SNCR脱硝工艺中常使用的还原剂有尿素、液氨和氨水。

若还原剂使用液氨，则优点是脱硝系统储罐容积可以较小，还原剂价格也最便宜；缺点是氨气有毒、可燃、可爆，储存的安全防护要求高，需要经相关消防安全部门审批才能大量储存、使用；另外，输送管道也需特别处理；需要配合能量很高的输送气才能取得一定的穿透效果，一般应用在尺寸较小的焚烧炉。

若还原剂使用氨水，氨水有恶臭，挥发性和腐蚀性强，有一定的操作安全要求，但储存、处理比液氨简单；由于含有大量的稀释水，储存、输送系统比氨系统要复杂；喷射刚性，穿透能力比氨气喷射好，但挥发性仍然比尿素溶液大，应用在墙式喷射器的时候仍然难以深入到大型分解窑炉的深部，因此一般应用在中小型窑炉上，但在水泥窑炉上多使用氨水作为还原剂；若还原剂使用尿素，尿素不易燃烧和爆炸，无色无味，运输、储存、使用比较简单安全；挥发性比氨水小，在窑炉内的穿透性好；效果相对较好，脱硝效率高，适合于大型分解窑炉的SNCR脱硝工艺。

从图3-9可以看出不同温度下尿素和氨对NOx还原率的影响，温度区间位于730℃~950℃之间时，选用氨作还原剂的脱硝效率要高于选用尿素的脱硝率。

图3-9不同温度下尿素和氨对NOx还原率的影响

3.4.4.4适当的NH3/NO摩尔比NSR

根据化学反应方程，NH3/NOx摩尔比应该为1，但实际上都要比1大才能达到较理想的NOx还原率，已有的运行经验显示，NH3/NO摩尔比一般控制在1.0～2.0之间，超过2.5对NOx还原率已无大的影响（见图3-10），NH3/NO摩尔比过大，虽然有利于NOx还原率增大，但氨逃逸加大又会造成新的问题，同时还增加了运行费用。

但是如何更有效地控制NH3的泄漏，仍然有待于更进一步的研究。

随着氨水喷入量的增加，氨水与烟气的混合情况有所好转，因此在高NH3/NO摩尔比值情况下取得了好的效果。

在实际应用中考虑到NH3的泄漏问题，应选尽可能小的NH3/NO摩尔比值，同时为了保证NO还原率，要求必须采取措施强化氨水与烟气的混合过程。

图3-10NH3/NO摩尔比NSR对NOx还原率的影响

3.4.4.5还原剂和烟气的充分混合

还原剂和烟气的充分混合是保证充分反应的又一个技术关键，是保证在适当的NH3/NO摩尔比是得到较高的NOx还原率的基本条件之一。

大量研究表明，烟气与还原剂快速而良好混合对于改善NOx的还原率是很必要的。

3.3.5.6气氛的影响

合适的氧量也是保证NH3与NO还原反应正常进行的制约因素。

随着氧量的增加NO还原率不断下降。

这是因为存在大量的O2使NH3与O2的接触机会增多，从而促进了NH3氧化反应的进行。

烟气中的O2在数量级上远大于NO，在还原反应中微量的氧可大大满足反应的需求，因此从氧量对于NO还原率的影响来看，氧量越小越有利于NO的还原，见图3-11。

图3-11NOx还原率随烟气中的氧气浓度变化

为了提高SNCR对NOx的还原效率，降低氨的泄漏量，必须在设计阶段重点考虑以下几个关键的工艺参数：

燃料类型、窑炉负荷、分解窑炉结构、受热面布置、过量空气量、NO浓度、窑炉温度分布、窑炉气流分布以及CO浓度等。

四、SNCR系统设计说明

4.1设计总原则

1）采用先进、成熟、可靠的技术，造价要经济、合理，便于运行维护；

2）所有的设备和材料是新的；

3）高的可利用率；

4）运行费用最少；

5）观察、监视、维护简单；

6）运行人员数量最少；

7）确保人员和设备安全；

8）节省能源、水和原材料；

9）脱硝装置的调试、启/停和运行不影响主机的正常工作且其进度服从主机系统的进度要求。

10）脱硝装置能快速启动投入，在负荷调整时有良好的适应性，在运行条件下能可靠和稳定地连续运行。

并具有下列运行特性：

11）能适应窑炉的启动、停机及负荷变动；

12）检修时间间隔与机组的要求一致，不增加机组的维护和检修时间。

13）在设计上要留有足够的通道，包括施工、检修需要的吊装及运输通道。

4.1.1所供设备和服务

1）输送泵、喷嘴及其所需附属设备

2）系统内所有仪表、测量装置、调节控制设备及其安装附件（不包含在线监测系统）

3）脱硝系统范围内的钢结构、楼梯、平台

4）防腐、保温和油漆

5）设计

6）技术服务

4.1.2对电气、仪表和控制系统的要求

采用的电压等级：

交流380/220V三相四线制；交流220V。

供货方提出对保安电源的要求，由业主方提供保安电源。

4.1.3设备材料

所有设备的材料是新型的和具有应用业绩的，在脱硝装置设计运行期间的各种工况（如温度、压力及污染物含量的变化等），不会造成超过设计标准的老化、疲劳和腐蚀，而且在任何部件产生的应力和应变不对脱硝装置的效率和可靠性产生影响。

4.1.4