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。
3.3喷枪选型的优化设计
针对上述可能存在的安装的问题，还可以改变喷枪选型，一方面，如前所述，若为空心锥喷嘴，可以变更为实心锥喷嘴。另一方面，可以采用偏心喷枪。常用的水泥脱硝双流体喷枪，根据喷枪喷嘴孔设置位置可分为顶部喷嘴孔，即顶部中心为圆心开一圈孔（图2a）；顶部单孔（图2c）；另外还有偏心喷嘴，一般为单个孔，孔与喷枪轴线成一定角度（图2b、2d）。案例工程采用的是图2a所示顶部多孔喷枪，从现在案例工程所体现出来的性能下降现象来看，并非最佳型式。
图3为不同开孔型式喷枪在分解炉截面上所形成的喷射覆盖情况。大圆圈是分解炉截面，小圆圈是截面上喷枪布置点位。目前，案例工程采用的是图3b，可以看到中心部分全部为重复覆盖部分，边缘部分有较多的烟气短流部分，中间区域未经反应的过量氨则易于为粉尘吸附，造成氨水耗量增加。
单纯从理论分析来看，喷射覆盖面越大，覆盖面的重复率越低，越有利于还原剂分散到烟气中发生反应。由图3可以看到：a与b均为顶喷射式喷枪，中心内切圆重复率均较高，周边出现多处覆盖不到的区域（烟气短流）。c与d均为偏心喷射式喷枪，周边喷射覆盖率及重叠率较高，中心出现多处覆盖不到的区域（烟气短流），45°偏心30°喷射角流场分布均匀度劣于30°偏心30°喷射角喷枪所形成的流场分布。综合比较流场分布均匀性，30°偏心30°喷射角喷枪最佳。因此，改用30°偏心30°喷射角喷枪（图d）型式的喷枪进行调整试验。
3.4干湿界面结垢的问题及解决
案例脱硝工程配置的喷枪自带套筒（Φ27.2mm×2.9mm），实物型式见图2a，喷枪的喷射孔中心分布在Φ10mm的圆上（多个喷射孔，环状分布），喷射孔与喷枪自带套筒内壁（Φ21.4mm）距离较近（约为6mm），见图4a，粉尘沉积后易于搭接结垢。
拟优化方案改用喷枪为30°偏心30°喷射角单孔喷枪，外观型式见图2b，喷枪无自带套筒，喷射孔距离塔体套筒内壁（Φ38mm）间距较大，见图4b，孔在轴线上距离最近为15mm，最远为23mm，粉尘适当沉降后也不易因为搭接而形成堵塞。图4现有喷枪及拟改用喷枪安装套管与喷射口间距示意 若喷射层所在壁面刚好为旋流离心力较大区域，粉尘极易集结在喷射孔和自带套管区域，并且由于高温作用，干湿界面处极易形成坚硬的结垢，导致喷射孔堵塞，氨水不能有效喷射，而回灌至喷枪外管。但是，脱硝系统的计量装置显示的喷射量仍旧较大。建议更换单孔偏心喷枪进行试验以排除故障。
3.5优化整改后实施效果
按照以上系统分析和优化整改的思路实施优化整改后，将优化后的系统投入运行，各项性能指标与优化前进行比较，并结合项目实际运行参数和同规格生产线的主要烟气参数假设了两种工况进行理论计算和经济技术分析，见表3。表3优化前后的主要性能指标和经济性指标
从表3可以看到：①优化后，初始NOx浓度上升，其他参数基本一致的条件下，同等氨水耗量下NOx可以控制在320mg/m3以下；②水泥企业通常计算运行成本是以单位熟料产品的耗量进行计算，本项目脱硝运行成本高达4.78元/t熟料，高于行业平均水平（2.5——3.5元/t熟料），这种考核办法适用于水泥成本的核算，但是并不适用于环保成本核算，从表3可以看到本项目初始NOx浓度高达900mg/m3，亦是超出了行业平均生产水平，从单位NOx的减排成本来看，经优化后同样减少1吨NOx，平均成本要少1821.2元，单位NOx减排成本下降明显。③为了进行合理的成本分析，表3假设了2种工况，通过理论计算氨水耗量和运行成本，通过假设工况一可以看到，初始NOx浓度对于运行成本的控制至关重要，假设工况二是用同规格熟料生产线烟气参数平均值作为设计参数，烟气量42.7万m3/h和初始NOx浓度650mg/m3，优化后的性能作为输入条件，脱硝率53.1%时，NSR取1.2，经理论计算，各项指标优于行业平均运行水平。
另外，该项目也实施了低氮改造，但性能下降后NOx排放浓度高达900mg/m3，效果低于行业平均水平，从节省运行成本的角度考虑，建议水泥企业进一步核实低氮燃烧的脱硝效果，生产工艺调整和低氮改造优化后，降低初始NOx浓度，节省运行成本。
4结论
影响水泥脱硝性能的因素很多，若通过数据表征认为脱硝性能下降，应优先排除CEMS系统、烟气分析仪、流量计等核心仪表可能存在的故障。
此外，喷射方案作为SNCR脱硝技术的核心之一，对于性能的影响较大，主要包括喷枪的选型、喷枪的安装方案。根据分析，现在常用的喷枪型式中，30°偏心30°喷射角喷枪具有较高的覆盖率和较低的覆盖重复率，是比较适宜的喷枪型式，单孔喷枪比多孔喷枪与外部保护套管间有更大的间隙，可以避免干湿界面结垢；喷枪的伸入长度不够会导致喷射液滴沿壁面流动，减少炉内还原剂喷入量，分解炉内部烟气离心力作用下可能会导致分解炉内壁积灰，致使喷枪的深入长度不够，也会形成相似的效果，实心锥喷嘴可以减少这种影响，可以适当将喷枪伸入炉内，再想办法调整炉内流场，避免喷枪安装点位处的积灰。在放置喷枪与套管可能存在的结垢方面，尽量加大套管尺寸，若套管已经制作完成，单孔喷枪比多孔喷枪更能避免干湿界面结垢。
通过优化后，解决了氨水喷射量增加，NOx排放浓度还居高不下的问题。并且与优化前进行经济技术对比分析，吨NOx的减排平均成本可减少1821.2元，吨熟料脱硝运行成本4.78元，高于平均水平。进一步分析，是由于初始NOx浓度远高于平均水平所致，建议业主优化生产工艺和低氮燃烧工艺，若将初始NOx浓度控制在平均初始浓度650mg/m3，吨熟料脱硝运行成本可降低至2.17元，优于行业平均水平。