技术 | 水泥窑氮氧化物超低排放的技术改造

引言

某公司有两条水泥熟料生产线，一线设计产能为2500t/d熟料、年产水泥80万吨水泥，二线设计产能为4000t/d熟料，两条生产线均配备有纯低温余热发电系统。其中，二线自2018年8月起，开展了水泥窑氮氧化物超低排放改造试验，于2019年2月完成改造，2019年8月验收通过。

稳定的系统工况对氮氧化物排放浓度的控制至关重要。改造前，二线氮氧化物排放浓度<100mg/Nm3(以NO₂计，指烟气中O₂含量10％状态下的排放浓度及单位产品排放量，下文同)。经采取全系统智能化控制及精细化管理措施后，氮氧化物排放浓度达到<50mg/Nm3的改造目标。

1.1 源头控制，减少NOx的产生

水泥熟料的煅烧过程中会产生大量的NO和NO₂，其中，NO约占90％以上，NO₂仅占5％～10％。按生成方式，NOx可分为原料型、燃料型、快速型和热力型，其中，热力型NOx是主要来源。针对如何减少热力型NOx的问题，分析形成如下解决方案：

(1)加强管理。结合原、燃料情况，进行详细的化学和物理分析，严格各工序的质量管理，优化窑系统的操作参数，使窑系统长期处于稳定优化状态，减少能源消耗，从而减少NOx的产生。

(2)加强工艺操作，控制烧成温度，热力型NOx的形成主要跟烧成温度有关。实验表明，温度从1550℃起到1900℃，特别在1750℃后，NOx的产生量几乎是直线上升。因此，若要控制NOx的产生量，就必须将烧成温度尽量控制在1750℃以下，同时又要保证熟料的烧成质量。

(3)使用低氮燃烧器。采用大推力、低风量、混合好、火焰细而不长的燃烧器，通过“低氧、低氮、控高温”的方式，减少NOx的生成。通过重新设计燃烧端部间隙及风道截面积，降低入窑一次风量，提高风速，提高煤粉完全燃烧率，降低系统煤耗，以减少NOx的产生。

1.2 末端治理，将NOx还原为无污染的N₂

(1)采用分级燃烧技术，建立还原区，通过CO将NOx还原为N₂，同时利用三次风，将CO转化为CO₂。公司分别于2013年及2017年将分解炉煤管由分解炉锥体下方移至烟室缩口上方，取得了不错效果。2019年，继续将分解炉用煤引一路至窑尾烟室，氨水用量下降0.20m3/h左右(需注意烟室煤量的比例，煤量过多会引起窑况变差，一般不宜超过窑尾总用煤量的50％)；将三次风管入分解炉位置抬高(约提高1.6m)，增大了分解炉锥体还原区。改造位置见图1，历次改造效果见表1。

(2)采用SNCR技术，通过脱硝剂，如氨水等，在一定的条件下，与NOx反应生成N₂。SNCR烟气脱硝技术的关键在于氨水喷入点位置的选择和氨水雾化的效果，合理的喷入点及良好的雾化效果，不仅可以保证氨水充分与烟气中的NOx发生还原反应，还可以在保证脱硝效果的同时，使还原剂(氨水)的消耗量和氨逃逸更低。

1.3 全系统智能化过程控制

(1)使用生料配料智能控制。采用在线y分析仪配料，1min检测一个样品，极大地稳定了入窑率值，为稳定窑系统煅烧制度提供了基础，利于NOx的稳定控制。

(2)使用烧成智能专家控制系统。采用五个模块分别对高温风机、窑头喂煤秤、窑尾喂煤秤、篦冷机、窑头排风机进行智能控制，不断优化控制过程中的关键参数，形成合理的煅烧制度，降低窑内NOx的产生总量，从源头进行控制。

(3)使用脱硝智能专家控制系统。采用智能专家模块控制氨水喷入量，实现精准、高效、稳定的氨水控制趋势，如图2所示。绿色曲线是氮氧化物瞬时值，红色曲线是连续小时平均值。从图2可见，手动控制连续小时平均值波动比较大，自动控制波动较小，同时，氨水用量较以前有所下降。

图2 脱硝智能专家控制系统使用前后对比

1.4 全系统精细化操作控制

(1)加强原料及配料控制。结合自身原、燃料情况，加强质量控制，保证原燃料成分合格，严控有害成分含量。根据自身工艺条件，选择合理的配料方案，保证生料率值在合理的范围内，有利于熟料煅烧及合理控制NOx生成量。

(2)加强煤粉灰分、挥发分的控制。根据实际生产经验，高灰分和低挥发分对分级燃烧效率有很大的影响。通过不断实践，公司二线入窑煤粉控制范围为：灰分16％～19％，挥发分27％～32％，分级燃烧效率达到最优。

(3)加强中控室精细化操作控制。依托于一级气体分析、窑尾气体分析仪及智能专家自动控制系统，通过精细化操作，控制窑内煅烧气氛，减少热力型NOx产生。稳定二次风温(1100℃以上)、三次风温(950℃以上)，降低系统煤耗，保证煤粉快速有效燃烧。控制窑尾烟室氧含量在2.0％～2.5％，控制C1出口氧含量<3％，合理调配窑炉配风，减少系统整体用风。

通过半年时间的运行，公司二线氮氧化物脱硝项目运行稳定，氮氧化物排放浓度<50mg/m3，氨逃逸<8mg/m3，并于2019年8月21日通过了超低排放验收，达到了预期改造效果。氨水用量约0.85m3/h左右，熟料产量约5600t/d，吨熟料氨水(浓度20％)消耗量为0.85÷0.92×24÷5600=3.96kg。表2为2号生产线窑尾废气外排口(100％)氨逃逸检测结果。

表2 2号生产线窑尾废气外排口(100％)氨逃逸检测结果

在普遍认为采用SNCR脱硝技术难以满足氮氧化物排放浓度<50mg/m3的要求时，公司以“低氮燃烧器+分级燃烧+SNCR”为依托，通过智能化控制和精细化管理，从源头减少了氮氧化物产生量，提高了脱硝效率，实现了节能降耗、减排增效。

作者：邵磊

来源：《唐山冀东水泥三友有限公司》

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