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浅析水泥窑炉SNCR烟气脱硝工艺设计

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发布日期:2018-03-01 来源:中国环保产业 浏览次数:234
核心提示:水泥窑炉SNCR烟气脱硝工艺设计,针对5000t/d熟料水泥生产线的特点,在SNCR技术的基础上,设计了了一种烟气脱硝工艺。在确保排放达标的前提下,实现低成本稳定脱硝,提高生产效率和企业竞争力。

烟气脱硫脱硝工艺技术的发展为工业行业带来了巨大收益,针对5000t/d熟料水泥生产线的特点和区域性燃煤的工业特性,在SNCR技术的基础上,设计了一套烟气量5.8×105Nm3/h,初始NOx排放浓度390~900mg/Nm3,脱硝后NOx排放浓度≥156~360mg/Nm3,氨逃逸浓度≤8mg/Nm3,还原剂(25%氨水)消耗量<632kg/h,脱硝效率≥65%,系统可用率98%的SNCR烟气脱硝系统。对5000t/d熟料水泥窑炉SNCR烟气脱硝系统的性能参数、工艺流程、主要组成部分和分散控制系统进行了设计及说明,此工艺可为国内水泥行业烟气脱硝工程的改造、设计提供借鉴和参考,实现低成本稳定脱硝,提高生产效率和企业竞争力。

引言

近年来,我国水泥行业发展迅速,同时带来诸如环境污染、能源消耗过大、企业过度竞争、行业经济效率低迷等一系列问题。水泥行业已成为居火力发电、汽车尾气之后的第三大氮氧化物排放大户,占全国氮氧化物排放总量的15%~20%。《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)(以下简称:标准)对水泥行业的NOx排放量做了初步规定,规定其排放限值为800mg/m3。根据“十二五”规划的要求,至2015年底,水泥行业氮氧化物的排放总量要比2010年下降10%。规划还要求水泥行业的新建生产线必须同时配套安装效率不低于60%的脱硝设备,以确保NOx的排放达到环保标准要求。

烟气

水泥窑炉是新型干法水泥生产线中的关键技术装备,同样也是水泥行业氮氧化物的主要排放源之一,其烟气具有温度高、风量大、NOx排放量大的特点。为标准水泥窑炉SNCR烟气脱硝工艺设计修订开展有关抽样调查获得的148个新型干法水泥窑氮氧化物排放数据,平均排放浓度为621.5mg/m3,其中约80%水泥窑平均排放浓度在500mg/m3以上。

一、1SNCR烟气脱硝技术

选择性非催化还原(SNCR)是一种烟气脱硝技术,其原理是将氨还原剂在一定的温度窗口下与NOx发生选择性非催化还原反应,达到降低NOx排放量的效果。还原剂喷入炉膛温度为850℃~1100℃的区域,迅速释放出NH3气,与烟气中的NOx反应生成N2和水。SNCR烟气脱硝技术的脱硝效率一般为30%~60%,受锅炉结构、反应温度、喷枪位置、还原剂喷射量等因素的影响较大。

在无催化剂、温度为850℃~1100℃条件下,氨还原剂可选择性地还原烟气中的NOx,基本上不与烟气中的O2作用。主要反应机理见化学方程式①,若温度过高,NH3则被氧化成NO,见化学方程式②。

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O①

4NH3+5O2→4NO+6H2O②

相对于选择性催化还原(SCR)技术,SNCR技术的脱硝效率较低,约为60%。但是,SNCR技术的成本只有SCR技术的1/5,且对水泥窑炉正常运行的影响较小。

二、设计依据及主要技术参数

1、设计依据

水泥行业回转窑炉的主要燃烧对象是燃煤,在物料烧制过程中,会产生大量的烟气,烟气中含有大量NOx。本SNCR烟气脱硝系统主要是为长期稳定确保5000t/d熟料水泥生产线水泥窑炉的NOx排放量达到环保标准而设计的,烟气参数见表1所示。生产线上每台窑炉的耗煤量为27.6t/h,所燃烧的煤种是产自福建清流县的无烟煤(掺加30%的烟煤),其工业分析见表2所示。

烟气1

2、性能参数

水泥窑炉SNCR烟气脱硝系统的主要设计的性能参数如下:

(1)脱硝入口烟气参数为设计值的条件下,温度>850℃时,脱硝装置NOx脱除效率不低于65%(从390~900mg/Nm3降至156~360mg/Nm3)。脱硝效率也称为NOx脱除率,其计算方法如下式:

烟气2

其中:

C1——脱硝前烟气中NOx折算浓度(干基,10%O2),以O2计,mg/Nm3(标准状态);

C2——脱硝后烟气中NOx折算浓度(干基,10%O2),以O2计,mg/Nm3(标准状态)。

(2)氨的逃逸浓度≤8mg/Nm3(标准状态,干基,10%O2)。氨的逃逸浓度是指在脱硝装置反应区出口氨的浓度(标准状态,干基,10%O2)。

(3)脱硝系统仪用和杂用空气量:脱硝装置仪用空气量为0;杂用空气量为40~80Nm3/min。

(4)还原剂耗量:在满足NOx脱除率、氨的逃逸率等性能参数的前提下,SNCR系统25%的氨水的消耗量<632kg/h;最低连续运行烟温850℃;最高连续运行烟温1100℃。

(5)系统可用率≥98%。

烟气3

其中:A——水泥窑炉每年总运行时间,7200h;

B——脱硝系统每年总停运时间,h。

(6)脱硝装置可用率≥98%。

烟气4

其中:A—脱硝系统装置统计期间可运行小时数;

B—脱硝系统装置统计期间强迫停运小时数;

C—脱硝系统装置统计期间强迫降低处理等效停运小时数。

三、水泥窑炉烟气脱硝工艺流程及组成

1、SNCR烟气脱硝工艺流程

水泥窑炉SNCR烟气脱硝系统的工艺流程如下图所示。

烟气5

2、2SNCR烟气脱硝系统主要组成部分

水泥窑炉SNCR烟气脱硝系统主要由六大功能模块组成:SNCR反应模块、氨水储存及供应模块、给料分配模块、氨水喷射模块、水消防模块以及包括采暖、通风、除尘及空调在内的其他功能模块。

(1)SNCR反应模块

SNCR反应模块是指未经脱硝的烟气与NH3混合后在合适的温度区域产生反应的功能区域。在SNCR反应区内,通过均匀喷入还原剂,在合适的温度范围内使烟气中的氮氧化物与NH3产生反应生成N2与H2O,从而达到除去烟气中氮氧化物的目的。

(2)氨水储存及供应模块

氨水储存及供应模块包括氨水运输车、卸氨泵、氨水储罐和氨气缓冲罐。除此之外,氨水供应系统设置有废水收集排放池,通过氨水储罐或氨气缓冲罐的安全阀收集罐里低浓度的氨水和消防冷却喷淋废水。废水沉淀后通过排污泵返回到氨水储罐搭配使用,实现废水的循环利用。

(3)给料分配模块

给料分配模块的主要功能是实现氨水的分配、压缩空气的混合以及还原剂的流量控制。用来测量和控制正常运行时需要的氨水量的组件被装配在给料分配模块中,并配有一个控制阀和一个流量变送器,用来自动控制喷枪的氨水溶液总流量。除此之外,给料分配模块还包括手动阀门、气动控制阀门和玻璃浮子流量计,可以方便灵活地控制每根喷枪的实际流量,以便获得更加均匀的流场分析。

(4)氨水喷射模块

氨水喷射模块的功能是实现还原剂与烟气均匀、充分混合,并在故障时能迅速手动投退。考虑到喷枪喷嘴的雾化效果对系统脱硝效率的影响,采用机械雾化或空气雾化以提高喷枪的雾化效果。同时喷头的介质雾化角度大于130°,以扩大还原剂喷出时与烟气的接触面积,提高反应率。

(5)水消防模块及其他功能模块水消防模块以及包括采暖、通风、除尘及空调在内的其他功能模块的功能是保证设计的水泥窑炉脱硝系统在可靠、安全、高效的运作环境中实现脱硝功能。

3、分散控制系统

分散控制系统的设计原则是功能分散和物理分散相结合,控制水平与现有水泥生产线的自动化水平保持一致,其功能控制中心纳入现有水泥生产线的控制网络,实现两者在硬件与软件上的统一。

分散控制系统接收来自窑炉和其附属控制柜的数据信号,并根据上述数据实现对还原反应相关参数的适时调整。同时,控制系统可以根据脱硝系统的整体运行状态和脱硝效率,对氨水储存及供应模块和给料分配模块进行调节和处理。

分散控制系统的功能主要包括采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、联锁保护、烟气脱硝系统厂用电源系统的监控。除此之外,分散控制系统还可实现烟气检测、成分分析与还原剂量控制等的监控任务。

烟气6

(1)针对水泥特性和燃煤的工业分析,设计水泥窑炉SNCR烟气脱硝系统,基本设计参数为:烟气量5.8×105Nm3/h,初始NOx排放浓度390~900mg/Nm3,脱硝后NOx排放浓度≤156~360mg/Nm3,氨的逃逸浓度≤8mg/Nm3,还原剂(25%氨水)消耗量<632kg/h,脱硝效率≥65%,系统可用率在98%以上。

(2)水泥窑炉SNCR烟气脱硝系统由六大功能模块和分散控制系统组成。六大功能模块主要包括SNCR反应模块、氨水储存及供应模块、给料分配模块、氨水喷射模块、水消防模块,以及包括采暖、通风、除尘及空调在内的其他功能模块等。

综上所述,为加强水泥行业烟气脱硫脱硝工程的改造、加强工艺设计,分散控制系统的设计原则是功能分散和物理分散相结合,控制水平与现有水泥生产线的自动化水平保持一致,实现低成本稳定脱硝,提高生产效率和企业竞争力,保护生态环境

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