CN102921284B

CN102921284B - 一种水泥炉窑烟气中NOx浓度的控制方法和装置

Info

Publication number: CN102921284B
Application number: CN201210385631.0A
Authority: CN
Inventors: 顾震宇; 韦彦斐; 金瑞奔; 朱虹; 范海燕; 周荣; 陆建海; 汪昊其
Original assignee: Zhejiang Environmental Science Research and Design Institute
Current assignee: Zhejiang Environmental Science Research and Design Institute
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: CN102921284A

Abstract

本发明公开了一种水泥炉窑烟气中NO_x浓度的控制方法和装置，装置包括分解窑、预热器和还原剂供给装置，所述分解窑底部通过进口烟道与所述水泥炉窑的窑尾烟囱连通，所述分解窑的顶部通过出口烟道与所述预热器连通，所述分解窑的中上部或/和所述出口烟道中分层设有若干把与所述还原剂供给装置相连通的喷枪；还包括连接至所述还原剂供给装置的中央控制器和监控所述窑尾烟囱中NO_x浓度及烟气流量信息并传输给所述中央控制器的烟气自动监控系统。本发明采用多位点联合控制向分解炉中喷入还原剂，无需采用SNCR和SCR的联合技术就能实现NO_x的高去除率。

Description

一种水泥炉窑烟气中NOx浓度的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及化工环保技术领域，具体涉及一种水泥炉窑烟气中NO_x浓度的控制方法和装置。

背景技术

根据水泥行业NOx的生成机理，针对NOx的控制技术主要分两类，一类对燃烧过程进行控制，降低NOx的生成；另一类针对已经生成的NOx采取脱除措施。针对燃烧过程的控制技术主要有低NOx燃烧器、燃料分级燃烧、空气分级燃烧等手段从控制氧气供给或降低烟气温度等方面着手，降低热力型NOx的生成。通过对燃烧过程的监控，如回转窑的过量空气系数和烟气温度，以及烟囱出口处的NOx、CO等污染物浓度，优化燃烧。在满足熟料煅烧要求的前提下，尽量降低回转窑的过量空气系数和烟气温度。但是降低回转窑内氧气含量和烟气温度，影响水泥熟料煅烧品质。故水泥炉窑采用低NOx燃烧技术来降低氮氧化物的应用空间有限，脱硝效率一般不高于30%。

针对燃烧后烟气脱除技术，主要有选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction，即SCR技术）和选择性非催化还原技术（Selective Non-Catalytic Reduction，即SNCR技术）。

SCR技术为含有氨基的还原剂与催化剂在温度窗口约为200～450℃区间，快速、高效地将水泥窑内烟气中生成的NOx选择性的还原为N₂。水泥窑SCR布置方式可采取高尘（High dust System）和低温低尘（Tail-end System）这两种布置方式。高尘布置方式的SCR反应器布置在第一级旋风预热器之后，此处烟气温度与催化剂活性温度窗口较为吻合。由于水泥炉窑灰尘含量高达80～100g/Nm³，易造成催化剂孔隙堵塞，使系统压降迅速增加，从而给引风机正常运行产生严重威胁，从而影响水泥窑生产线长期稳定运行；同时水泥窑烟气中钠、钾等水溶性碱金属化合物易与催化剂中V₂O₅反应导致催化剂中毒，降低其活性；另外烟气中高浓度CaO，与经催化剂氧化而成的SO₃生成CaSO₄，覆盖在催化剂表面，降低其活性。一旦发生催化剂磨损、中毒或失活严重时，均须停运SCR系统，进行催化剂的更换。

SNCR技术为在水泥窑的适当位置喷入含有氨基的还原剂，使烟气中已生成的NOx被还原为N₂。含有氨基的还原剂主要有氨气、液氨、氨水和尿素。对于不同还原剂，对应的温度窗口亦有所区别，以NH₃为还原剂的最佳温度窗口在760～930℃之间，以尿素为还原剂，对应的脱硝反应最佳温度窗口为950～1040℃，较之氨气稍高。据文献报道，氨水作为水泥窑SNCR法脱硝最适合还原剂。

SNCR技术关键是还原剂喷射在合适的温度窗口以及喷入的还原剂与烟气中的NOx能够进行充分混合，从而实现较高的脱硝效率，提高还原剂利用率，降低还原剂耗量和尾部氨逃逸。

发明内容

本发明提供了一种水泥炉窑烟气中NO_x浓度的控制方法和装置，采用多位点联合控制向分解炉中喷入还原剂，无需采用SNCR和SCR的联合技术就能实现NO_x的高去除率。

一种水泥炉窑烟气中NO_x浓度的控制装置，包括分解窑、预热器和还原剂供给装置，所述分解窑底部通过进口烟道与所述水泥炉窑的窑尾烟囱连通，所述分解窑的顶部通过出口烟道与所述预热器连通，所述分解窑的中上部或/和所述出口烟道中分层设有若干把与所述还原剂供给装置相连通的喷枪；还包括连接至所述还原剂供给装置的中央控制器和监控所述窑尾烟囱中NO_x浓度、烟气流量及烟气温度信息并传输给所述中央控制器的烟气自动监控系统。

在分解窑的中上部及连接分解窑与预热器的出口烟道中，温度保持在800～950℃，在此范围内喷入还原剂氨水，氨水与烟气中的NO_x能够充分混合反应，实现高脱硝效率，提高还原剂的利用率，降低还原剂消耗量及尾部氨逃逸，且经本发明装置处理后的烟气满足排放标准，不需要再行设置SCR脱硝装置，脱硝成本大大降低。

优选地，所述分解窑的中上部设置1～3层所述喷枪，每层设置2～8把。

优选地，所述出口烟道竖直向上，经一倒U型管转向后竖直向下与所述预热器连通，所述出口烟道的竖直部分分层设置若干把所述喷枪。

更优选地，所述出口烟道中设置1～3层所述喷枪，每层设置2～8把。

分解窑的中下部温度偏高，不是适宜的温度窗口，不利于脱硝效率的提高，很多分解窑在中下部还有燃料喷入口，还有许多燃料型NO_x形成，在此段设点喷入还原剂，会导致混合不均匀，反应不充分；而本发明中在分解窑的中上部及出口烟道中，温度窗口适宜，喷入的还原剂与烟气充分混合，达到更好的脱硝效率。

喷枪的设置层数根据水泥窑的实际工况设置，可设置为单层、双层或多层，优选的，设置1～3层，每层的设置数量根据烟气中NO_x浓度调整，优选地，每层设置2～8把。

优选地，所述还原剂供给装置包括还原剂分配模块、均连接至所述还原剂分配模块的还原剂输送模块和压缩空气输送罐，所述还原剂分配模块与所述中央控制器相连。

优选地，还设有连接至所述还原剂分配模块的软水输送模块，用来冲洗管路和喷枪。

还原剂送至还原剂分配模块中，还原剂优选为氨水，氨水为市售（20%-25%）氨水，直接通过喷枪喷入分解窑或/和烟道中，不需要在喷枪中再输送软水稀释。

作为一种优选的喷枪设计方案，作为一种优选的喷枪设计方案，所述喷枪包括空气管和位于所述空气管中的还原剂管，所述还原剂管与所述还原剂分配模块连接，所述空气管与所述压缩空气储罐连接。

所述还原剂管喷射还原剂时与还原剂分配模块连接，冲洗管道时与软水输送模块连接。

还原剂通过管路输送至喷枪的还原剂管中，压缩空气通过管路送入喷枪的空气管中，还原剂管的喷口出口位于空气管内，由还原剂管输送的还原剂在喷枪内与压缩空气混合后喷入分解窑或/和出口烟道中，压缩空气增强喷射动力，加强还原剂射程，并保证流量过小时冷却喷枪。

本发明还提供了一种水泥炉窑烟气中NO_x浓度的控制方法，采用SNCR脱硝工艺，

所述水泥炉窑烟气引入分解窑中，向所述分解窑的中上部或/和连接分解窑与预热器的出口烟道中多位点喷入还原剂，还原剂喷射位点的温度为800～950℃；

运行过程中实时监测所述水泥炉窑烟气流量、温度及烟气中的NO_x浓度信息，并传输给中央控制器，由中央控制器选择还原剂喷射位点，分配每个还原剂喷射位点的喷入量从而控制还原剂与烟气中NO_x的比例。

通过烟气自动监控系统（CEMS）实时监测进入分解窑中的烟气流量及烟气中NO_x浓度，并将监测到的流量信息和NO_x浓度信息及时反馈给中央控制器，中央控制器分析由CEMS传输的信息，选择还原剂喷入位点，分配每个喷入位点的喷入量，自动调整还原剂与烟气中NO_x的比例。

SNCR脱硝技术选择含有氨基的还原剂，使烟气中的中NO_x被还原为N₂，含有氨基的还原剂主要有氨气、液氨、氨水和尿素，本发明中，优选地，所述还原剂为氨水。

更优选地，NH₃与NOx摩尔比（NSR）为0.6～1.8。

本发明的有益效果：

（1）所选用的多点位联合控制技术，负荷波动适应能力强，能适用于各种规格水泥炉窑、固定规格水泥炉窑生产状况波动时烟气中氮氧化物的治理；

（2）无论与SCR技术，还是与SNCR和SCR联合技术相比，水泥炉窑烟气脱硝的多点位联合SNCR技术都可以说具有显著的氮氧化物去除效率，较低的氨逃逸率，是适合于水泥炉窑烟气中氮氧化物的处理简单工艺；

（3）施工工艺简单，造价低，不影响水泥生产线的正常运行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的喷枪的结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明的结构示意图，包括分解窑15、预热器14、进口烟道16、出口烟道13、中央控制器5、烟气自动监控系统（CEMS）7、压缩空气管8和还原剂供给装置。

以氨水为还原剂，包括依次相连的氨水罐车1、氨水卸载模块2、氨水储罐3和还原剂输送模块4（氨水输送模块），依次相连的软水输送管9、软水储罐10和软水输送模块11，软水输送模块11和氨水输送模块均连接至氨水分配模块（即还原剂分配模块12），氨水分配模块还设有连接至氨水储罐3的氨水回流管。

氨水卸载模块2由卸载泵、相应的阀门、管道和表计组成；氨水输送模块由氨水输送泵、相应的阀门和表计组成；软水输送模块11软水输送泵、相应的阀门和表计组成。

氨水分配模块包括所有必须的控制阀以及全自动运行所需的流量传感器和压力传感器，氨水分配模块将调整还原剂至合适的满足目前运行条件下消耗量的要求。该单元也安装气体报警器，同时将警报传送至中央控制器。

为了便于向中央控制器5实时的发出指令或设定参数，该中央控制器5还接有管理模块(CMM)，分配模块、中央控制器5和管理模块(CMM)的通讯通过分布式I/O和总线进行。

氨水罐车1、氨水卸载模块2、氨水储罐3、氨水输送模块、软水输送管9、软水储罐10、软水输送模块11和氨水分配模块共同组成还原剂供给装置。

分解窑15的底部通过进口烟道与水泥炉窑16的窑尾烟囱6连通，分解窑15的顶部通过出口烟道13与预热器14连通，预热器14选择C5级旋风预热器，CEMS7监控窑尾烟囱6中的烟气，并将监控信息及时反馈给中央控制器5，中央控制器5连接至氨水分配模块的各路控制阀，中央控制器5选择PLC控制。

脱硝系统采用就地/远传控制方式，SNCR的控制系统由PLC站、工程师站、操作员站，组成一个控制系统。PLC站置于氨水分配模块附近，工程师站和操作员站布置在中控室，实现对整个系统的监控操作。

出口烟道13竖直向上，经一倒U型管转向后竖直向下与预热器14连通，在出口烟道13的竖直部分（图1中A所示的虚线框部分为喷射模块一，B所示的虚线框部分为喷射模块二）分层安装多把喷枪，在分解窑15的中上部（即图1中C所述的虚线框部分为喷射模块三）分层安装多把喷枪。

喷枪的结构如图2所示，包括还原剂管19和空气管18，清洗软水走还原剂管路，还原剂管19位于空气管18的中心，且还原剂管19的喷口位于空气管18内，在还原剂管19喷口与空气管18的喷口之间形成混合区域，还原剂与空气在该区域内混合，还原剂管19通过管路与氨水分配模块连通，空气管18与通过管路连接至压缩空气罐8，压缩空气罐8分设若干支路与对应的喷枪连通，另设一支路与氨水分配模块连通。

本发明的工艺流程如下：

由氨水罐1车将化工过程中常见的副产品20～25wt.%的氨水运送至现场，通过氨水卸载模块2注入氨水储罐3，由于新型干法水泥生产工艺一般设置余热锅炉，可以供给软水，至软水储罐10。CEMS7反馈回来的窑尾烟囱6的烟气流量和氮氧化物含量信息传输到中央控制器5，再将控制指令传送到氨水分配模块，控制NH₃与NOx摩尔比，调配进入氨水分配模块氨水流量，过量的氨水回流。另外，引接压缩空气至各路喷枪17，以加强氨水射程，并保证流量过小时冷却喷枪。

实施例1

喷枪安装在出口烟道上（图1中A虚线框所示喷射模块一）。根据CFD模拟结果确定，喷射点位分为三层，每层2只，分布在圆形烟道上。所有喷射点位均落在800～950℃温度区间。系统三层点位均有安装喷枪，每只喷枪分别编号为A1、A2、B1、B2、C1、C2，系统投入自动运行，根据系统的温度、NO_X浓度、流量等参数反馈（温度改变，系统根据温度参数反馈，选择合适的温度窗口，即改变喷射点位层次；流量改变，需要改变的是系统喷氨量的大小，NSR的变化主要随NOx浓度变化而变化），系统自动选定点位，A1、A2、B1、B2、C1、C2中可选定2-4只喷枪，为实际投入运行的喷枪点位。

脱硝系统烟气处理量为2.0×10⁵Nm³/h，窑尾烟囱NO_X初始浓度为450mg/Nm³，调节NSR=1.0，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约100mg/Nm³，脱硝率78%附近波动。

调节NSR=0.8，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约126mg/Nm³，脱硝率在72%附近波动。

调节NSR=0.6，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约229mg/Nm³，脱硝率在51%附近波动。

调节NSR=1.2，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约90mg/Nm³，脱硝率在80%附近波动。

调节NSR=1.8，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约130mg/Nm³，脱硝率在71%附近波动。

实施例2

根据CFD模拟结果确定，喷枪安装在分解窑窑体中上部（图1中C虚线框所示喷射模块三）和出口烟道（图1中B虚线框所示喷射模块二），喷射点位分为两层，每层3只（A1、A2、A3、B1、B2、B3）。所有喷射点位均落在800～950℃温度区间。根据系统的温度、浓度、流量等参数反馈，系统自动选定点位，A1、A2、A3、B1、B2、B3中可选定3-6只喷枪，为实际投入运行的喷枪点位。

脱硝系统烟气处理量为3.0×10⁵Nm³/h，NOx含量700mg/Nm³，调节NSR=1.8，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约150mg/Nm³，脱硝率在78%附近波动。

调节NSR=1.7，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约175mg/Nm³，脱硝率在75%附近波动。

调节NSR=1.5，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约315mg/Nm³，脱硝率在55%附近波动。

调节NSR=1.4，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约280mg/Nm³，脱硝率在60%附近波动。

调节NSR=1.3，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约308mg/Nm³，脱硝率在56%附近波动。

实施例3

根据CFD模拟结果确定，出口烟道竖直向上的烟风管路上（图1中A虚线框所示喷射模块二），喷射点位为一层，共8只喷枪(A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8)。所有喷射点位均落在800～950℃温度区间。系统喷射点位均有安装喷枪，系统投入自动运行，根据系统的温度、浓度、流量等参数反馈，系统自动选定点位，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8中可选定4-8只喷枪，为实际投入运行的喷枪点位。

系统自动选定点位为实际投入运行的喷枪点位。

脱硝系统烟气处理量为6.0×10⁵Nm³/h，NOx含量1000mg/Nm³，调节NSR=1.8，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约250mg/Nm³，脱硝率在75%附近波动。

调节NSR=1.5，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约420mg/Nm³，脱硝率在58%附近波动。

调节NSR=1.3，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约370mg/Nm³，脱硝率在63%附近波动。

调节NSR=1.1，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约320mg/Nm³，脱硝率在68%附近波动。

调节NSR=0.8，窑尾烟囱NO_X浓度降低至约500mg/Nm³，脱硝率在50%附近波动。

Claims

1.一种水泥炉窑烟气中NO_x浓度的控制装置，包括分解窑(15)、预热器(14)和还原剂供给装置，所述分解窑(15)底部通过进口烟道(16)与所述水泥炉窑的窑尾烟囱(6)连通，所述分解窑(15)的顶部通过出口烟道(13)与所述预热器(14)连通，其特征在于，所述分解窑(15)的中上部和所述出口烟道(13)中分层设有若干把与所述还原剂供给装置相连通的喷枪(17)；还包括连接至所述还原剂供给装置的中央控制器(5)和监控所述窑尾烟囱(6)中NO_x浓度、烟气流量及烟气温度信息并传输给所述中央控制器(5)的烟气自动监控系统(7)；

所述分解窑(15)的中上部设置1～3层所述喷枪(17)，每层设置2～8把；

所述出口烟道(13)竖直向上，经一倒U型管转向后竖直向下与所述预热器(14)连通，所述出口烟道(13)的竖直部分分层设置若干把所述喷枪(17)；

所述出口烟道(13)中设置1～3层所述喷枪(17)，每层设置2～8把。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述还原剂供给装置包括还原剂分配模块(12)、均连接至所述还原剂分配模块(12)的还原剂输送模块(4)和压缩空气罐(8)，所述还原剂分配模块(12)与所述中央控制器(5)相连。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，还设有连接至所述还原剂分配模块(12)的软水输送模块(11)。

4.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述喷枪(17)包括空气管(18)和位于所述空气管(18)中的还原剂管(19)，所述还原剂管(19)与所述还原剂分配模块(12)连接，所述空气管(18)与所述压缩空气罐(8)连接。

5.一种利用如权利要求1所述控制装置进行水泥炉窑烟气中NO_x浓度的控制方法，采用SNCR脱硝工艺，其特征在于，

所述水泥炉窑烟气引入分解窑中，向所述分解窑的中上部和连接分解窑与预热器的出口烟道中多位点喷入还原剂，还原剂喷射位点的温度为800～950℃；

运行过程中实时监测所述水泥炉窑烟气流量、温度及烟气中的NO_x浓度信息，并传输给中央控制器，由中央控制器选择还原剂喷射层和喷射位点，分配每个还原剂喷射位点的喷入量从而控制还原剂与烟气中NO_x的比例；

所述还原剂为氨水；NH₃与NOx摩尔比为0.6～1.8。