某特种水泥熟料生产线脱硝工艺选择的探讨
- 2025-01-20 17:33:00
- 管理员 原创
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某特种水泥熟料生产线脱硝工艺选择的探讨
1背景
某特种水泥熟料生产线（以下简称“该厂”）设计产能1680tpd，实际运行产量69.7~70.2t/h，年运转率90%~91%。燃料特征有：采用石油焦，碳含量89%wt，热值8150kCal/t。工艺特征有：烧成温度较普通硅酸盐水泥熟料烧成温度高约200℃。其它工艺特征：窑尾烟气经五级预热器、管道增湿塔、高温风机进入生料磨或窑尾袋除尘器，再经尾排风机排入烟囱；管道增湿塔只在生料磨机停运期间喷水降温，正常情况下生料磨机运转率约83%。当前脱硝措施有：窑头低氮燃烧（LNB）、分解炉分级燃烧（SCC）以及常规选择性非催化还原（SNCR）等，脱硝系统全部满负荷运行状态下窑尾烟囱CEMS显示的净烟气氧浓度5.5~5.8%vt，NOx折标值76~100mg/Nm3，氨逃逸表检测的逃逸氨为8~10mg/Nm3，生产统计的实际单位熟料氨耗11.53-12.75kg/t，单位熟料脱硝成本约9.31元/t。NOx排放值、单位熟料氨耗、氨逃逸等三项指标均不满足“环办大气函〔2020〕340号”文件要求，需实施NOx超净排放提标改造。正常工况下窑尾NOx产量表见表1。
表1 正常工况下窑尾NOx产量表
序号 |
项目 |
参数 |
单位 |
备注 |
1 |
单位熟料窑尾烟气量 |
2815.71 |
Nm3/t |
@基准氧 |
2 |
单位熟料烟室烟气 |
646.31 |
Nm3/t |
头煤占比45%，测点氧浓度O2=3.0%vt |
3 |
单位熟料C1烟气量 |
1701.8 |
Nm3/t |
测点O2=2.8%vt |
4 |
烟室处NO浓度 |
2800~3600 |
ppm |
超量程，基于C1处数据的反向推算值 |
5 |
分解炉出口NO浓度 |
1777 |
ppm |
未喷氨运状态实测值 |
6 |
C1出口总管NO浓度 |
1500 |
ppm |
未喷氨运状态实测值 |
7 |
窑头NOx产量 |
3.91-4.61 |
kg/t |
类比推算值 |
8 |
合计NOx产量 |
5.52 |
kg/t |
实测数据计算值，假定NO与NOx摩尔比0.95:1 |
注：表中所列数据为窑头原有低氮燃烧器、窑尾原有分级燃烧均正常运行下的数据。
2 行业NOx产消现状
特种水泥生产线彼此间的工艺参数差异化大，可比性较低。参照相关标准[1,2]，笔者从80余条普通硅酸盐水泥熟料生产线中遴选出烟室、分解炉或预热器C1出口同时配置有CEMS且CEMS输出数据相对较为真实的13条线进行过长期跟踪。汇总的普通硅酸盐水泥窑NOx产消情况调研表见表2。
表2 普通硅酸盐水泥窑NOx产消情况调研表（补充文件见附件1）
企业编号 |
熟料产量 |
煤耗 |
NOx产消量 |
还原剂 |
氨氮摩尔比 |
||||||
标煤耗 |
头煤比 |
窑头产NOx |
合计产NOx |
排放NOx |
减NOx |
喷氨量 |
氨水浓度 |
单位熟料标准氨耗 |
|||
t/h |
kgce/t |
1 |
kg/t |
kg/t |
kg/t |
kg/t |
t/h |
%wt |
kg/t |
1 |
|
1 |
301.1 |
96.96 |
0.375 |
0.87 |
1.76 |
0.144 |
1.62 |
1.23 |
21 |
3.432 |
1.37 |
2 |
254.9 |
104.35 |
0.4 |
1.13 |
1.36 |
0.115 |
1.247 |
0.89 |
23 |
3.213 |
1.66 |
3 |
260 |
103.53 |
0.393 |
1.94 |
|
0.096 |
2.098 |
1.25 |
22.7 |
4.365 |
1.34 |
4 |
305 |
103.35 |
0.41 |
1.58 |
1.82 |
0.129 |
1.692 |
1.21 |
23 |
3.65 |
1.39 |
5 |
270 |
108.89 |
0.323 |
0.89 |
1.55 |
0.633 |
0.919 |
0.6 |
21 |
1.867 |
1.31 |
6 |
286.1 |
111.85 |
0.409 |
1.56 |
1.81 |
0.077 |
1.734 |
1.25 |
20 |
3.495 |
1.30 |
7 |
262.2 |
98.78 |
0.398 |
0.53 |
1.33 |
0.067 |
1.259 |
0.7 |
25 |
2.67 |
1.37 |
8 |
284.4 |
96.56 |
0.396 |
1.38 |
1.77 |
0.144 |
1.627 |
0.95 |
22 |
2.94 |
|
9 |
265.2 |
100.38 |
0.371 |
1.17 |
1.42 |
0.32 |
1.098 |
0.82 |
22 |
2.721 |
1.60 |
10 |
258.8 |
96.99 |
0.45 |
1.11 |
1.41 |
0.089 |
1.325 |
0.73 |
22 |
2.482 |
1.21 |
11 |
178.8 |
98.43 |
0.426 |
1.21 |
1.31 |
0.124 |
1.185 |
0.62 |
23 |
3.19 |
|
12 |
282 |
101.76 |
0.364 |
1.46 |
1.94 |
0.047 |
1.897 |
1.24 |
23 |
4.045 |
1.37 |
13 |
242 |
101.75 |
0.388 |
1.23 |
|
0.035 |
1.219 |
0.66 |
23 |
2.509 |
1.33 |
样本均值 |
|
|
|
1.59 |
|
|
|
|
|
1.38 |
|
从表1或表2可推导出如下结论。
①、普通硅酸盐水泥单位熟料NOx产量均值约1.59kg/t，以该厂为例的特种水泥单位熟料NOx产量均值约5.52kg/t，是普通硅酸盐水泥单位熟料NOx产量的3.47倍。
②、当前普通硅酸盐水泥烟气脱硝系统的实际氨氮摩尔比均值约1.38（以下统称“氨氮比”），折合脱除单位NOx消耗标准氨水约2.04kg/kg-NOx或20%wt氨水2.55kg/kg-NOx。
③、部分普通硅酸盐水泥熟料生产线已能实现NOx排放值小于50mg/Nm3，折合单位熟料NOx排放量约0.11kg/t。
④、当NOx排放值小于50mg/Nm3时，普通硅酸盐水泥熟料生产线单位熟料NOx消减量均值约为1.48kg/t，折合消耗还原剂约3.80kg/t@20%wt氨水。
⑤当NOx排放值小于50mg/Nm3时，该厂实施NOx超净排放的单位熟料NOx消减量均值约为5.38kg/t，是普通硅酸盐水泥单位熟料NOx消减量均值的3.64倍。
⑥、假定脱硝效率不变，实现NOx排放浓度100mg/Nm3时，以该厂为例的特种水泥单位熟料标准氨耗约10.69kg/t，为生产统计数值的84%~93%，说明单位烟气中的NOx降低量越大，对应氨氮比越高，对应还原剂利用率越低，进一步佐证通过仪表检测法读出的氨逃逸数值与采用化学吸收法计算的氨逃逸数据间有着数倍甚至数十倍、数百倍差异的必然性。
3工艺路线的依据
（一）基于法规政策选择的工艺路线
常用的脱硝技术有LNB、SCC、SNCR、选择性催化还原（SCR）及热碳还原。结合调研氨氮比数据推算，该厂采用“LNB+SCC+高效SNCR”脱硝技术无法实现单位熟料氨耗小于4kg/t，不满足“环办大气函〔2020〕340号”对A级企业的绩效要求。基于SCR脱硝系统在水泥窑中还原剂利用率普遍低于50%的数据推断[3-5]，该厂将脱硝系统升级到“LNB+SCC+SNCR+SCR”的组合模式后，单位熟料氨耗依旧远多于4kg/t，仍不满足政策要求。结合现场实测及文献证实[6-8]，热碳还原脱硝技术能利用碳基燃料替代氨基还原剂实现脱硝，能实现进分解炉的烟气NOx浓度在20~100ppm，却对分解炉内生成的NOx消减量有限，如再辅助高效SNCR和适宜的SCR装置，能同时实现NOx排放＜50mg/Nm3、氨逃逸＜5mg/Nm3以及单位熟料氨耗＜4kg/t的政策指标。水泥窑常用SCR脱硝工艺性能数据调研汇总表见表3。
表3 水泥窑常用SCR脱硝工艺性能数据调研汇总表（补充文件见附件2）
项目 |
高温高尘SCR |
高温中尘SCR |
高温低尘SCR |
中温中尘SCR |
备注 |
氨氮比 |
1.29~5.1a |
1.6~4.4 |
1.09~1.23 |
1.44~4.55b |
|
还原剂利用率% |
20.6~81.4 |
23.9~65.6 |
85.4~96.3 |
23.1~72.9 |
|
行业常规的入口NOx浓度mg/Nm3 |
＜260~300 |
＜260~500 |
＜260~500 |
＜260~300 |
实氧状态 |
＜150~180 |
＜150~300 |
＜150~300 |
＜150~180 |
基准氧浓度下的近似值 |
|
综合经济型入口NOx浓度mg/Nm3 |
＜100 |
＜150 |
＞500 |
＜100 |
基准氧浓度下的近似值 |
注：a下限数据1.29为工程公司论文数据，现场采用化学药剂吸收法测定进入SCR的逃逸氨，间隔18天测试的氨氮摩尔比分别为1.82~2.6、4.8~5.1，说明催化剂堵塞或性能衰减速率很快，需进行定期实施强制清灰；b下限值1.44为工程公司论文数据，因SNCR逃逸氨进入到SCR的数据缺失，基于其它项目推算真实值氨氮摩尔比远高于1.44。
基于以上分析，该厂可通过如下三步措施实现“环办大气函〔2020〕340号”A级企业NOx超净排放目标。
第一步，强化现有LNB、SCC、SNCR等脱硝系统功效，将进SCR脱硝塔的NOx数值控制到最佳氨氮比范围以内；
第二步，增加热碳还原脱硝装置，将待处理烟气进入SNCR及SCR系统时的NOx均值降到500ppm以下，确保单位熟料氨耗小于3.5kg/t，达到企标要求；
第三步，增加SCR脱硝装置，设计庸余SCR催化剂，确保氨逃逃逸小于5mg/Nm3，最终实现NOx超净排放、单位熟料氨耗及氨逃逸符合指标。
可行的工艺路线有：由“LNB+SCC+热碳还原+高效SNCR+高温高尘SCR”组合的A路线，由“LNB+SCC+热碳还原+高效SNCR+高温中尘SCR”组合的B路线，由“LNB+SCC+热碳还原+高效SNCR+高温低尘SCR”组合的C路线。模型推演出不同工艺路线最佳运行参数汇总表见表4。
完整版信息参见：[1]任勇,折鹏飞,吴振山,等.某特种水泥熟料生产线脱硝工艺选择的探讨[J].水泥工程,2024,(03):25-29.DOI:10.13697/j.cnki.32-1449/tu.2024.03.007.
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