水泥行业脱硝分级燃烧技术 SNCRWord格式.docx
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“十二五”期间我国将针对氮氧化物的污染特征，进入以空气质量改善为切入点、以主要行业为突破口的大规模削减阶段。
继火电行业脱硝工作大规模推广后，我国将推进以水泥行业为主的其它行业氮氧化物排放控制。
我国水泥行业氮氧化物的排放占总排放量的10%左右，是我国氮氧化物排放的第三大源。
随着水泥行业落后产能淘汰工作的推进，新型干法窑的使用比例将大幅增加，在提高能源使用效率的同时，由于燃烧温度高等原因，氮氧化物排放量将显著增加。
随着国家将氮氧化物的削减正式提上日程，相关部门相继出台了一系列与水泥生产NOx排放控制的政策与污染物排放标准：
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（标况气体，折算为NO2，以10%氧含量为基准，下同）；
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。
氮氧化物排放量已被国家列入“十二五”规划的控制性目标，要求2015年氮氧化物排放总量比2010年下降10％；
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）“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%的烟气脱氮装置”。
随着国家环保要求的日趋严格，对污染物排放的控制力度也越来越大，对水泥生产企业提出了更高的减排要求。
某水泥有限公司积极响应国家号召，计划对熟料生产线开展水泥窑系统的脱氮工程，实现水泥窑减排、环境保护和可持续发展。
目前，项目核准前的各项准备工作业主正在积极进行之中。
2、本项目脱硝工艺描述
目前，水泥窑NOx控制技术主要包括低氮燃烧器、分级燃烧法、非选择性催化还原法（SNCR）和选择性催化还原法（SCR）等，各控制技术的脱氮效率如下表所示：
NOx控制技术
低NOx燃烧器
分级燃烧
SNCR
SCR
脱氮效率
10~15%
25~30%
50~70%
85~90%
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，在国内外水泥生产线上极少使用，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。
SNCR法在欧洲水泥工业已应用20多年，效果较好。
2.1、分级燃烧技术
技术原理：
分级燃烧脱氮的基本原理是在烟室和分解炉之间建立还原燃烧区，将原分解炉用煤的一部分均布到该区域内，使其缺氧燃烧（第一级燃烧区域内空气过剩系数小于1）以便产生CO、CH4、H2、HCN和固定碳等还原剂。
这些还原剂与窑尾烟气中的NOx发生反应，将NOx还原成N2等无污染的惰性气体。
此外，煤粉在缺氧条件下燃烧也抑制了自身燃料型NOx产生，从而实现水泥生产过程中的NOx减排。
其主要反应如下：
2CO+2NO→N2+2CO2
NH+NH→N2+H2
2H2+2NO→N2+2H2O
分级燃烧脱氮技术具有以下优点：
✧有效降低的NOx排放，可达到25～30％的NOx脱除率；
✧无运行成本，且对水泥正常生产无不利影响；
✧无二次污染，分级燃烧脱氮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；
分级燃烧脱氮技术缺点：
一次投资大，需要适当停窑周期实施改造，同时要有经验中控操作人员进行调整。
工艺流程：
分级燃烧脱氮系统主要包含：
三次风管调整和改造、脱氮风管配置、C4筒下料调整、煤粉储存、输送系统、分解炉用煤粉燃烧器和相应的电器控制系统，其分解炉调整如图所示。
脱氮系统的用煤经煤粉秤精确计量后，由罗茨风机送到窑尾烟室的脱氮还原区，在脱氮还原区的合适位置均布着一套燃烧喷嘴，煤粉经燃烧喷嘴高速进入还原区内并充分分散，一方面保证了分级燃烧的脱氮效率，另一方面减少了煤粉在壁面燃烧出现结皮的负面影响。
此外，根据还原区操作温度、C1出口NOx等系统参数，可及时调整脱氮用煤量。
分解炉还原区装备内容
利用分级燃烧脱氮技术对烧成系统进行改造，不改变分解炉主体结构，在分解炉烟室预留的脱氮还原区，在脱氮喷射预留孔位置设置高速喷煤嘴，煤粉在此区域内缺氧燃烧产生适量的还原气氛，与窑气中的NOx发生反应，将NOx转化成无污染的N2。
三次风管入分解炉的部分抬高到适度位置。
改造后整个窑尾用煤总量与改造前一致，只是将其按一定比例分成两路，一路进入分解炉，另一路进入还原区。
为保证烧成系统的稳定及高效的脱氮效率，脱氮用煤系统需独立计量和控制。
2.2、SNCR脱氮技术
将氨水（质量浓度20%～25%）或尿素溶液（质量浓度30%~50%）通过雾化喷射系统直接喷入分解炉合适温度区域（850~1050℃），雾化后的氨与NOx（NO、NO2等混合物）进行选择性非催化还原反应，将NOx转化成无污染的N2。
当反应区温度过低时，反应效率会降低；
当反应区温度过高时，氨会直接被氧化成N2和NO。
喷氨后炉内发生的化学反应有：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
6NO+4NH3→5N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
为了提高脱NOx的效率并实现NH3的逃逸最小化，满足以下条件：
在氨水喷入的位置没有火焰；
在反应区域维持合适的温度范围（850~1050℃）；
在反应区域有足够的停留时间（至少0.5秒，900℃）。
SNCR（喷氨）系统主要由卸氨系统、罐区、加压泵及其控制系统、混合系统、分配与调节系统、喷雾系统等组成。
其流程如下图所示：
①卸氨系统
外购氨水运输至厂区后，通过离心泵将槽罐车内的氨水输送至氨水储罐。
由于氨水易挥发，氨水储罐内的氨蒸气通过管道连接至稀释水储罐，氨蒸气可被稀释水吸收，从而达到了防止氨气泄露的隐患。
②罐区
由于罐区的占地面积较大，根据工厂场地的实际情况，考虑将罐区布置均化库附近空地。
罐区主要布置氨水储罐和稀释水储罐，氨水储罐的液位通过物位计信号传输至中控，另外储罐也自带直观液位计。
罐区上方设有挡棚，四周敞开。
罐区四周设有约30厘米高的混凝土围堰及排水沟，以防止氨水泄漏时向罐区四周厂区溢流扩散。
③加压泵及其控制系统
来自罐区的氨水和稀释水分别通过加压泵同时输送至混合系统，从而最终被输送至喷雾系统。
氨水加压泵及其控制系统主要由两台螺杆泵（一用一备）、回流控制系统、压力检测系统及相应阀组组成。
稀释水加压泵及其控制系统所含设备与氨水相同。
整个系统布置在罐区附近，与罐区共用挡棚。
④混合系统
由于外购氨水浓度相对较高，主要是为了增加氨水的利用效率，需要兑水稀释。
氨水和稀释水分别由两个独立管路进入混合系统，且两流体的流量可根据实际所需喷氨量进行任意浓度的调配，最终被同时输送至静态混合器内，利用静态混合器的强湍流扰动特性，将氨水与稀释水充分混合均匀。
⑤分配和调节系统
由于在分解炉上布置了两层喷枪，进入两层喷枪的稀氨水需要通过控制分配和调节系统上的电动调节阀来自动控制稀氨水流量分配。
出混合系统的稀氨水通过管路输送至分配和调节系统，系统布置在预热器塔架钢平台上，与喷雾系统靠近布置。
⑥喷雾系统
喷枪是喷雾系统的核心也是整个SNCR（喷氨）系统的关键部件。
本项目在两条线都布置了十支喷枪。
为提高脱氮反应的效率，喷枪在分解炉上分两层布置，一层布置六支，另一层布置四支，所有喷枪围绕分解炉周向对称均布。
整个喷雾系统都有自反馈和自动调节功能，通过在线监测C1级筒出口（或烟囱出口）NOx排放值，利用反馈系统自动调节和控制氨水喷射量，在保证脱氮效率前提下减少系统运行成本。
喷枪能适应不同的稀氨水的流量，在流量变化幅度较大时也能保持优良的雾化效果。
⑦水电气供给
厂区管架在SNCR（喷氨）系统的罐区附近，管架上的工业水管通过分水阀即可接入稀释水罐。
目前水泥生产线的压缩空气有富裕，出气压力约为0.7MPa，能够满足喷枪入口气压：
0.4～0.6MPa，因此可直接利用现场的压缩空气作为喷雾系统的气源。
整个SNCR（喷氨）系统的电气柜放在窑尾预热器塔架下的电气室内。
⑧控制系统
SNCR系统采用独立的PLC控制系统，能实现炉内喷氨量的自动控制，脱氮系统能跟随运行负荷变化而变化，使脱氮系统长期、可靠的安全运行。
为保证系统可靠性和提高性价比，SNCR喷射系统纳入水泥生产线的DCS控制系统中。
SNCR喷射系统采用一个远程I/O站，DCS系统CPU仍采用原有DCS的CPU，工作站及系统软件也采用原有设备。
控制系统包括了就地控制柜、PLC控制柜、接线箱。
就地控制箱包括了水泵的启停、切换；
报警及报警接触。
PLC控制柜对整个系统的控制，包括了对远程信号的接收、计算和传输。
所有信号都能就地显示、PLC控制柜显示和操作和远程DCS显示和操作。
根据出口处的NOX浓度在线检测设备，当系统检测到出口浓度与设定值不符时，在自动模式时系统可以改变还原剂的喷射量使NOx浓度稳定在设定值范围内，手动模式时，在现场可直接手动调节还原剂喷射量。
⑨SNCR主要设备与设施
序号
名称
数量
单位
1
氨水加压泵组
套
2
稀释水加压泵组
3
稀释水与氨水混合阀组
4
上层稀氨水分配阀组
5
下层稀氨水分配阀组
6
喷雾系统
7
储罐及卸氨系统
8
压缩空气系统
9
仪表、电气控制系统
10
罐区厂房
个
3、氮氧化物目前排放量
根据某水泥提供的资料，水泥有限公司氮氧化物自2010年验收合格后，氮氧化物排放浓度已符合《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）表2规定限制要求。
其氮氧化物排放现状见下表
水泥有限公司氮氧化物排放现状表
污染物名称
排放浓度（mg/m3）
年排气量（m3）
污染物年排放量（吨）
标准规定排放限值（mg/m3）
氮氧化物（以NO计）
《水泥行业“十二五”发展规划》中指出：
推进节能减排：
大力实施节能减排技术改造，建立健全能源计量管理体系，推行清洁生产，降低综合能耗，减少污染物排放。
着力减少二氧化碳及氮氧化物、二氧化硫等主要污染物排放。
新建生产线必须配套建设效率不低于60%的烟气脱硝装置。
因此，根据水泥行业发展规划要求，氮氧化物排放需进行治理。
4、总体性能指标
（1）窑尾分级燃烧脱氮技术（单独使用）
窑尾分级燃烧的脱氮效率为25~30％。
（2）SNCR脱氮技术（单独使用）
采用SNCR选择性非催化还原技术，可以减少氮氧化物排放50%~70%。
按不同的脱氮成本可实现氮氧化物排放≤500mg/Nm3（10%氧含量，NO计）的连续控制，满足不同阶段的环保标准的持久性适应需求。
氨逃逸≤5ppm。
（3）分级燃烧和SNCR结合的脱氮集成技术
减少氮氧化物排放60~80％，NOX≤202mg/Nm3（10%氧含量，NO计）。
可以有效控制运行成本，既发挥分级燃烧的无运行成本增加优势，同时也发挥SNCR高效脱氮的目标要求。
氨逃逸≤10ppm。
5、主要技术经济指标
指标名称
单位
指标
备注
熟料生产线规模
t/d
1x4000
技术方法
分级燃烧+SNCR
装机容量
kW
80
设备性能指标
螺杆泵出口压力（氨水、稀释水）
MPa
供气系统出口压力
喷枪流量范围
L/（h·
支）
30‐180
喷枪数量
支
平均喷雾颗粒
μm
最大喷雾颗粒
150
喷雾长度（炉外条件下）
m
6‐7
使用寿命
h
20000
分解炉分煤最大比例
%
70
NOx排放指标
NOx排放（10%氧含量，NO计）
mg/Nm3
～202
烟囱出口
消耗指标
氨水（20%）
t/h
稀释水（去离子）
压缩空气（0.4～0.6MPa）最大气耗
Nm3/h
40
运行费用
元/吨熟料
占地面积
m2
200
项目总投资
万元
环境效益
减少NOx排放
吨/年
6、经济效益评价
6.1单位成本分析
项目材料与动力消耗包括氨水、压缩空气，除盐水及电力消耗。
材料与动力到厂“单价”见下表。
20%氨水
元/吨
1200
压缩空气
元/标准立方
除盐水
电力
元/千瓦时
6.2运行成本分析
本条4000t/d新型干法水泥生产线氮氧化物初始排放平均浓度为675mg/Nm3，采用分级燃烧和SNCR（喷氨）的集成技术脱氮后，会产生脱氮运行费用。
根据脱氮效率要求的不同，运行成本会有所变化，下表给出了不同脱氮效率下的氨水用量及运行成本。
（以技术经济指标基本条件为基准，假设分级燃烧首先完成30%的脱氮效率、其余部分由SNCR喷氨完成。
）
技术方案
脱氮效率指标
30%
40%
50%
60%
70%
氨水消耗
氨水成本
万元/年
稀释水消耗
3473
稀释水成本
电耗
48
64
2.43
3.41
4.30
NOx排放水平
405
270
减少NOx排放吨
627
836
1045
1254
1463
如上表所示，当分级燃烧和SNCR的总脱氮效率为70%时，NOx排放水平可以控制在mg/Nm3，本条生产线总运行成本为万元/年（折合4.3元/吨熟料，本条生产线实际熟料产量为4000t/d，每年以330天生产日计）
6.3环境及社会效益分析
我国水泥工业NOx的排放量高居世界各国前列，由此带来的大气污染和酸雨问题十分严重，经济损失巨大，已成为制约我国经济社会持续发展的主要因素，因此控制水泥行业NOx污染已势在必行；
另外，要扩大国际市场占有量，必须提升现有技术，跨越低NOx控制的技术壁垒。
本项目的实施符合《国家中长期科学和技术发展规划纲
要（2006-2020年）和国家关于两控区酸雨控制的相关政策和规划；
可有效减少水泥
企业的NOx排放量，提供水泥企业的效益，改善水泥企业所在地的区域环境，改变当
地民众对传统水泥工业的印象，使水泥生产企业能够成为环境友好型企业；
增强水泥工业对国家循环经济发展的支撑作用，提高了对污染物扩散的控制能力，在水泥工业中建立起可持续发展的技术示范模式。
本项目实施后，在脱氮效率为70%时，两条4000t/d水泥熟料生产线的每年可减少氮氧化物排放约吨。
在项目的实施过程中，还可以解决产业化基地所在地区的部分就业问题，为地方经济的发展和社会的稳定作出贡献。
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