水泥脱硝系统性能分析及喷射方案优化

“十二五”期间，大部分水泥熟料生产线均配置了SNCR脱硝系统，其基本原理是在分解炉及下游风管合适的温度区间（850~950℃）喷入还原剂（多为氨水），还原剂中的氨基与烟气中氮氧化物（NOx）反应，生成H2O和N2，达到去除烟气中NOx的目的。

SNCR脱硝技术核心主要有两个方面：①选择合适的温度窗口，保证反应的温度；②选择合适的喷射方案，合理选取氨水喷射角度、覆盖面、雾化效果，使还原剂尽可能地与烟气混合均匀。水泥脱硝工程性能考核的主要指标有：脱硝率、NOx排放浓度、氨水消耗量、氨逃逸浓度。设计、运行、管理维护不善，可能会导致这些指标不合格。

1水泥脱硝系统性能分析

以浙江杭州某5000t/d水泥窑炉烟气脱硝工程反映出来的问题进行性能分析和优化设计。该生产线烟气量为（35~50）万m3/h（标态，下同），初始NOx排放浓度在800mg/m3以上，烟气流量波动较大，生产工况不稳定。脱硝工程配置LNB-SNCR联合脱硝装置，低氮燃烧器投运后NOx排放浓度为690~780mg/m3，SNCR脱硝采用20%的氨水作为还原剂，设计脱硝效率为NOx排放浓度低于320mg/m3，脱硝系统投运约1年后，系统脱硝效率下降，氨水喷射量为1350L/h时，NOx排放浓度310~400mg/m3，难以稳定保持在320mg/m3以下。为做好分析，查阅了系统设计指标和168h试运行指标，与性能下降后指标对比，见表1。

根据表1，与168h试运行期间相关参数均值比较，运行1年后，脱硝系统的性能有所下降（需排除仪表和数据传输存在的问题），氨水利用率降低。此外，据水泥企业反映，一段时候的运行后余热锅炉的腐蚀较严重，并发现水泥窑熟料出口处出现结团现象，疑为粉尘吸附氨水导致，也推测可能因为氨逃逸浓度较高。而表1氨逃逸检测仪显示的氨排放浓度并不高，但是，这并不能说明没有过量氨排放，因为氨逃逸检测仪安装在窑尾烟囱，烟气在脱硝后经历了分解炉、五级旋风预热器、增湿塔、生料磨、除尘器等诸多设备后，余氨可能已经被粉尘吸附，窑尾测试值仍能保持在较低水平。

表1设计指标、168h运行期间指标和性能下降后指标对比

注：①初始NOx含量和烟气量为脱硝系统投运前的统计平均值；②本项目实际投运氨水浓度为20%，按照0.91的比重进行折算；③氨逃逸浓度为实际产生氨逃逸浓度减去本底氨排放浓度（SNCR停运时）均值的差值；④168h运行期间，由于实际脱硝效率＞设计脱硝效率，NSR也相应较大。

2原因分析及故障排除

2.1排除分析仪表故障

脱硝系统中主要的分析仪表有：烟气CEMS系统、还原剂分配柜中调节阀和流量计，其他则是保证系统安全性和稳定运行的辅助性仪表。这些分析仪表指导脱硝系统正常运行，是还原剂喷射量的计算的依据和脱硝效果的表征。

由于脱硝工程中分析仪表所处的工作环境非常恶劣，其他水泥厂曾经出现过由于CEMS不准导致系统投产后NOx排放浓度居高不下的现象。由于水泥窑炉SNCR脱硝工程一般为改造工程，脱硝设施配套之前，业主已经装备有CEMS，且委托第三方单位进行运行维护。配套脱硝工程后，部分企业数据表征系统运行不稳定或是不达标时，通常会联系脱硝工程服务商，认为是脱硝系统出现故障。脱硝工程服务商若排查问题不严密，以此数据作为依据，配套业主单位实施整改，事后验收发现故障出现在CEMS上，就会造成资源浪费。

因此，应优先排除仪表故障，特别是CEMS故障，最好是水泥企业、CEMS运维方、脱硝工程服务商三方共同校验，确认仪器无故障，或采用标气标定和同类型仪表比对的方法排除仪器故障。

2.2安装、运维存在缺陷

如果检测数据无误，则说明确实发生了大量还原剂的消耗，但是还原剂并未有效脱除NOx，可能存在3种情况：①氨水不能有效喷入分解炉；②还原剂喷入炉膛后，被粉尘大量吸附；③还原剂喷入炉膛后，直接随烟气排出系统。

在运行中曾经发现喷枪外管满是氨水，说明喷射口可能存在堵塞，导致氨水不能顺利喷至分解炉，而是回灌至喷枪外管（压缩空气通道）。因此，脱硝控制系统显示为氨水流量较高，但是实际并未喷入分解炉，因此NOx排放浓度也居高不下，根据氨水喷射量计算公式，控制系统仍然计算出需要加大氨水喷射量信号，但是起不到实际效果，而且形成恶性循环。双流体喷枪为小孔喷射，喷射点所在温度较高（850~950℃），极易形成干湿界面堵塞喷嘴孔。

企业根据锅炉检修时余热锅炉腐蚀现象判断氨逃逸，建议将腐蚀处取样分析，确认腐蚀是由于氨逃逸导致，说明还原剂确实喷入分解炉内，但是未与烟气反应，而直接随烟气排放。这是由于流场分布不均匀所致，个别区域覆盖率极高，导致该区域氨水过量，虽然水泥后期烟气流程较长，但不能保证过量的还原剂在适宜的温度窗口完全反应，而脱离脱硝反应温度窗口后，再混合均匀也不能被有效反应，只能随烟气排出，余热锅炉段可能出现铵盐沉积，即喷入炉内的还原剂，虽然有效喷入，但是相当一部分被炉内粉尘吸附，不能有效地与烟气中NOx反应。

以上问题，均需从还原剂的喷射方案进行细致分析和优化，包括喷嘴选型、喷枪安装和流场分布。

3喷射方案优化

3.1水泥脱硝双流体喷枪

一般而言，水泥窑炉SNCR烟气脱硝工程通过双流体喷枪将还原剂喷射进入炉内，该喷枪为套筒式结构，内管为液相（还原剂）通道，外管为压缩空气通道，主要有三方面的作用：①强化雾化效果、使喷雾颗粒进一步分散；②增加射程、喷射覆盖面更大；③冷却降温，保护喷枪免受长时间高温灼烧。

喷枪的性能对整个脱硝系统有着重要影响，如果雾化粒径过大，会减少还原剂与烟气中NOx的有效接触面积，降低气液反应速率，喷入的还原剂不能得到有效利用，便随烟气排出系统。如果雾化粒径过小，则需要提供较大的动力来促进雾化，喷入过量压缩空气增加了分解炉热能消耗，压缩空气的动力消耗也有所增加。此外，在单个喷枪性能满足设计要求的条件下，还需要进行合理的喷枪布置设计，即喷枪分布形成的覆盖面及喷雾分布均匀性。

综上所述，双流体喷枪是水泥脱硝系统的关键设备，喷枪性能和喷枪的布置设计直接影响到烟气脱硝系统性能参数和运行可靠性。因此，合理选择喷枪和优化喷枪布置设计对优化SNCR烟气脱硝系统运行有重要意义。

3.2喷枪安装的核实和优化设计

一般而言，双流体喷枪的主要性能参数包括：喷射角、喷射压力（液相）和雾化压力（气相）、喷枪流量（液相）、喷枪雾化粒径。

案例工程中现在使用的喷枪为日本EVERLOY公司的双流体喷枪，主要性能参数见表2。

表2双流体喷枪性能参数

因为喷枪的工作环境比较恶劣，分解炉粉尘含量高，为保证喷射效果并避免喷嘴受高尘烟气的磨蚀，案例工程喷枪的安装见图1a，喷枪的喷嘴与分解炉炉膛内壁平齐。

但是，若出现喷枪安装不仔细，喷枪深入部分不足，如图1b所示，喷枪安装好后，喷嘴距离内壁＞14mm，则氨水都喷射到分解炉套筒，不能有效喷入分解炉，也会造成喷入了大量的氨水，却没有实际发挥作用和功效。

图1双流体喷枪的安装示意

同理，根据图1b，由于分解炉内离心力作用，分解炉内壁可能出现严重积灰，也会形成图1b所示还原剂沿壁面渗漏，并未喷入到分解炉内的现象，还原剂被分解炉内壁沉积的粉尘层吸收，不能有效喷入分解炉。

因此，除了可以退出喷枪，在喷射孔通过捅灰的方式解决外，还可以尝试调整喷枪安装长度，将喷枪适当多深入炉内，排除此方面可能存在的氨水损耗，而且该解决方案不用增加投资，但不适合长时间使用。另外，实心锥喷枪可以减少边缘部分被沉积的粉尘吸附的问题，案例工程已经是实心锥，故不做变更。

延伸阅读：

氨水应用于水泥脱硝的安全性研究与实践