CN103611408B - 水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择方法 - Google Patents

Abstract

水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择方法，属于水泥生产环境保护控制领域，其特征在于，构建一个水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择系统，用中央控制计算机控制分段燃烧MSC控制机、选择性非催化还原SNCR控制机和选择性催化还原SCR控制机，在中央控制计算机内建立一个综合控制技术等级-脱硝效率-最终排放量目标值，根据实测的NOx本底平均排放量M⁰ _NOx与设定的NOx最终排放量目标值M^S _NOx之差，选择控制模式：M⁰ _NOx＞M^S _NOx，转向由脱硝效率得出的更高等级的控制模式运行；M⁰ _NOx＜M^S _NOx，则反之；M⁰ _NOx与M^S _NOx处于同一等级内，则按照当前控制模式运行。本发明在不过多带来额外的能源和资源消耗及污染物排放的条件下，能使水泥厂NOx减排始终在最优控制模式下运行。

Description

水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择方法

技术领域

本发明属于水泥生产环境保护控制领域，具体涉及水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择方法。

背景技术

本发明公开了水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择方法，属于水泥生产环境保护控制领域。

氮氧化物（NOx）是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO₂）的总合，是常见的大气污染物，对环境和人体健康的损害作用极大，是形成光化学烟雾、酸雨和富营养化的主要因素，也是呼吸系统疾病的诱因之一。对于水泥工业而言，我国现行的GB 4904-2004《水泥工业大气污染物排放标准》中规定的NOx排放限值仍为1996年限定的800mg/Nm³。但是根据2007年进行第一次全国污染源普查的资料，水泥生产过程中NOx平均排放系数为1100mg/Nm³，每吨熟料约产生1.8kg NOx，大大超出规定的NOx排放限值。这意味着目前我国大部分水泥企业在氮氧化物减排方面未能达标。需要说明的是，在实际工业生产中，减排氮氧化物常称之为脱硝，本发明“脱硝”和“减排氮氧化物”两个术语通用。

我国十二五规划已明确了水泥工业NOx减排10%的目标，湖南、山西、广东等省都规定了更加严格的NOx排放限值——不低于50%脱硝效率或NOx小于500mg/Nm³的限值。杭州甚至规定了NOx不得超过150mg/Nm³的限值。今后，水泥行业的NOx排放标准将随着国家对NOx排放控制力度的不断加大和脱硝技术的发展而愈加严格。

目前适用于水泥厂减排氮氧化物的技术有三种，分别是分段燃烧（Multi-stage Combustion,MSC）技术、选择性非催化还原（Selective Non-catalytic Reduction,SNCR）技术和选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction,SCR）技术。现今在我国水泥工业中应用较多的主要是成本较低的MSC技术，SNCR技术处于大力推广阶段，SCR技术处于试验改进阶段。这三种技术在脱硝效率即减排氮氧化物效率、基建运行成本和操作应用等方面有很多差异。

MSC技术相对成本较低，其原理是在水泥生产系统的分解炉中，使燃料与空气分段混合燃烧，在一次燃烧区形成富燃料混合物，在缺氧环境下只有部分燃料进行燃烧，燃料在贫氧和火焰温度较低的一次火焰区内析出挥发分，在燃尽区的燃烧偏离理论当量比，减少了NOx的生成。虽然这样能够起到降低NOx排放的效果，但是由于对分解炉进行了改建，对还原区和燃尽区进行了人为的分离，对水泥熟料的生产质量带来一定的影响，也对生料、燃料的消耗量带来波动。由于MSC技术脱硝效率一般在10～40%之间，如果水泥生产中NOx本底排放系数超过1000mg/Nm³时，仅仅使用MSC技术无法使水泥厂达到目前国家标准中NOx排放限值为800mg/Nm³的要求。而SNCR技术的脱硝效率一般在35～65%之间，如果温度区域控制得当，脱硝效率可以达到75%。其原理是对烟气中的NOx进行末端处理的技术，即通过向水泥窑、分解炉中喷入还原剂——氨或是尿素，在有氧气的条件下，还原剂选择性地与烟气中的NOx发生化学反应，生成无害的氮气（N₂）和水（H₂O），减少NOx的排放。如果SNCR技术与MSC技术结合使用，NOx的削减量高达80%。但是应用SNCR技术需要购买还原剂，成本有所增加，也会带来气体污染物NH₃、CO、SO₂等的排放，并且煤耗也有所增高。并且，如果水泥生产中NOx本底排放系数超过1100mg/Nm³，仅靠SNCR技术或是与MSC技术结合使用，也无法达到某些地区150～250mg NOx/Nm³排放限值的要求。SCR技术的脱硝效率最高，目前可以达到90%，也是十二五期间大力支持发展的一种脱硝技术。其原理是在催化剂的作用下，利用还原剂（如氨或尿素），在有氧气的条件下，“有选择性地”与烟气中的NOx发生化学反应并生成无污染的N₂和H₂O。相较于其他减排NOx的脱硝技术，SCR技术的优点是在相同的氨氮摩尔比下，脱硝效率明显高于其他技术，并且适用的反应温度较低，应用环境安全。如果SCR技术与MSC技术和SNCR技术结合使用，能达到95%以上的脱硝效率。这样即使水泥生产中NOx本底排放系数超过1200mg/Nm³，上述综合技术的使用，也能使水泥厂的NOx排放低于150mg/Nm³的严格要求。但是SCR技术实施成本非常高，设备及操作非常复杂，稳定性不高，人工难以准确控制，如果技术失效，则经济损失较大。

目前我国水泥厂普遍缺少减排氮氧化物的意识，并且现有脱硝技术多是依靠人工判断、手动操作等，精确控制率低，缺少现场分析、多种脱硝技术综合使用的自动控制系统，往往出现投入大量人力物力实施技术后，反而无法达到预期的脱硝效果。本发明针对上述问题，在原有设施的基础上加装减排氮氧化物综合技术的多个设备，通过实施监测水泥厂NOx排放的实际情况，给出多种减排目标的选择项，根据MSC、SNCR和SCR等不同技术及其组合的脱硝效率、经济成本、环境负荷和操作特点，自动进行减排氮氧化物的分级控制作业，在经济成本、脱硝效果和技术操作等方面寻求最优化解决方案。本发明在保证水泥稳定生产的基础上减排氮氧化物，不带来过多额外的资源、能源消耗和污染物排放，根据水泥生产各个流程的特点来选择应用脱硝综合技术进行分级控制氮氧化物的排放，方法涉及到水泥产品、流程、工序、设备、基建维护和运行成本等多个层次，包括资源消耗、能源消耗、环境污染、生产管理与质量控制等多个因素，为水泥行业、企业进行环境负荷管理、减排氮氧化物提供了科学实用的自动化控制方法，可以指导水泥厂进行氮氧化物减排、降低整体环境负荷和稳定生产的工作。

发明内容

本发明的特征在于，是在一个水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择系统中，依次按照以下步骤实现的：

步骤(1)、依次按照以下步骤构建一个所述的水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择系统：

步骤(1.1)、分别构建下述三种模式的水泥厂减排氮氧化物控制子系统，

MSC控制子系统：是一个受控于分段燃烧MSC控制机的子系统，在分解炉三次风的总风管处安装一个用于控制三次风风量的三次风阀门，并加装分支风管，在两个分支风管内各安装一个用于控制所述分支风管风量的阀门，所述分段燃烧MSC控制机通过控制三次风量和所述分支风管风量来实现分段燃烧MSC控制，

SNCR控制子系统：是一个受控于选择性非催化还原SNCR控制机的子系统，在分解炉下方安装专用氨水储罐、纯净水储罐、压缩空气储罐，设置喷枪、卸氨装置、排空阀、柔性软管及接口、连接管道、防雷棚和防雷设施及其装备，所述选择性非催化还原SNCR控制机通过在有氧条件下向所述分解炉喷入还原剂氨来实现减排氮氧化物的选择性非催化还原

SNCR控制；

SCR控制子系统：是一个受控于选择性催化还原SCR控制机，在水泥厂的预热器下方自上而下地建立：除尘器、卸氨装置和卸氨压缩机、氨水储罐、纯净水储罐、稀释风机、混合及喷氨装置、内置多层催化剂的SCR反应器、压缩空气储罐、吹灰器和连接管道，所述选择性催化还原SCR控制机在催化剂的作用下，在有氧条件下，利用还原剂氨与烟气中的NOx受控地发生化学还原反应生成无污染的N₂和H₂O来实现选择性催化还原SCR控制；

步骤(1.2)、设置一个用于控制所述分段燃烧MSC控制机、选择性非催化还原SNCR控制机和选择性催化还原SCR控制机开关及运行的中央控制计算机，设有：

按照脱硝效率从低到高依次划分减排氮氧化物综合技术等级，与对应的水泥厂NOx最终排放量目标值M^S _NOx映射表序列，

级别1：MSC技术，→600＜M^S7 _NOx≤800，单位“mg/Nm³”，下同，脱硝效率10%～40%，

级别2：SNCR技术，→500＜M^S6 _NOx≤600，脱硝效率35%～70%，

级别3：MSC+SNCR技术，→400＜M^S5 _NOx≤500，脱硝效率60%～80%，

级别4：SCR技术，→300＜M^S4 _NOx≤400，脱硝效率78%～90%，

级别5：MSC+SCR技术，→200＜M^S3 _NOx≤300，脱硝效率90%～93%，

级别6：SNCR+SCR技术，→100＜M^S2 _NOx≤200，脱硝效率92%～95%，

级别7：MSC+SNCR+SCR技术，0＜M^S1 _NOx≤100，脱硝效率至少95%，

M^S1 _NOx表示相对于级别7的NOx最终排放量目标值，其余以此类推；

步骤(2)、初始时在悬浮预热器C1出口处用气体成分测试仪测得NOx本底排放量，每2分钟测量一次，共测量10次，单位为“mg/Nm³”，取平均值，得到NOx本底平均排放量M⁰ _NOx，其中，阈值范围M⁰ _NOx的分级按照升序排列如下：

本底M⁰¹ _NOx第一级阈值范围：450＜M⁰¹ _NOx≤700，

本底M⁰² _NOx第二级阈值范围：700＜M⁰² _NOx≤800，

本底M⁰³ _NOx第三级阈值范围：800＜M⁰³ _NOx≤1000，

本底M⁰⁴ _NOx第四级阈值范围：1000＜M⁰⁴ _NOx≤1200，

本底M⁰⁵ _NOx第五级阈值范围：M⁰⁵ _NOx＞1200，

步骤(3)、向所述中央控制计算机输入步骤(2)所取得的结果，

步骤(4)、根据实测的NOx本底平均排放量M⁰ _NOx，以及设定的NOx最终排放量目标值M^S _NOx，即允许的NOx排放量M^S _NOx之差值，按照各级已知脱硝效率选择能达到所述NOx最终目标排放量M^S _NOx的技术级别，进行控制模式的转换，其中：

若：M⁰ _NOx＞M^S _NOx，则选择与NOx最终排放量目标值M^S _NOx对应的技术等级更高的控制模式运行，

若：M⁰ _NOx与M^S _NOx处于同一个技术等级内，则继续按照当前控制模式运行，

若：M⁰ _NOx＜M^S _NOx，则选择与NOx最终排放量目标值M^S _NOx对应的技术等级更低的控制模式运行。

本发明的效果是：

(1)本发明针对目前我国水泥厂普遍缺少减排氮氧化物的意识，并且现有脱硝技术多是依靠人工判断、手动操作等，精确控制率低，缺少现场分析、多种脱硝技术综合使用的自动控制系统，往往出现投入大量人力物力实施技术后，反而无法达到预期的脱硝效果等问题，在原有设施的基础上加装减排氮氧化物综合技术的多个设备，通过实施监测水泥厂NOx排放的实际情况，给出多种减排目标的选择项，根据MSC、SNCR和SCR等不同技术及其组合的脱硝效率、经济成本、环境负荷和操作特点，自动进行减排氮氧化物的分级控制作业，在经济成本、脱硝效果和技术操作等方面寻求最优化解决方案。

(2)本发明在保证水泥稳定生产的基础上减排氮氧化物，不带来过多额外的资源、能源消耗和污染物排放，根据水泥生产各个流程的特点来选择应用脱硝综合技术进行分级控制氮氧化物的排放，方法涉及到水泥产品、流程、工序、设备、基建维护和运行成本等多个层次，包括资源消耗、能源消耗、环境污染、生产管理与质量控制等多个因素，为水泥行业、企业进行环境负荷管理、减排氮氧化物提供了科学实用的自动化控制方法。

(3)本发明可以指导水泥厂进行氮氧化物减排、降低整体环境负荷和稳定生产的工作，符合发展循环经济、建设环境友好型和节约型社会的要求。

附图说明

图1为本发明的水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择方法程序图；

具体实施方式

下面根据说明书附图的图1，以及实施例对该发明进一步做出说明。

在一个水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择系统中，构建一个所述的水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择系统，并分别构建下述三种模式的水泥厂减排氮氧化物控制子系统：

MSC控制子系统：是一个受控于分段燃烧MSC控制机的子系统，在分解炉三次风的总风管处安装一个用于控制三次风风量的三次风阀门，并加装分支风管，在两个分支风管内各安装一个用于控制所述分支风管风量的阀门，所述分段燃烧MSC控制机通过控制三次风量和所述分支风管风量来实现分段燃烧MSC控制；

SNCR控制子系统：是一个受控于选择性非催化还原SNCR控制机的子系统，在分解炉下方安装专用氨水储罐、纯净水储罐、压缩空气储罐，设置喷枪、卸氨装置、排空阀、柔性软管及接口、连接管道、防雷棚和防雷设施及其装备，所述选择性非催化还原SNCR控制机通过在有氧条件下向所述分解炉喷入还原剂氨来实现减排氮氧化物的选择性非催化还原

SNCR控制；

SCR控制子系统：是一个受控于选择性催化还原SCR控制机，在水泥厂的预热器下方自上而下地建立：除尘器、卸氨装置和卸氨压缩机、氨水储罐、纯净水储罐、稀释风机、混合及喷氨装置、内置多层催化剂的SCR反应器、压缩空气储罐、吹灰器和连接管道，所述选择性催化还原SCR控制机在催化剂的作用下，在有氧条件下，利用还原剂氨与烟气中的NOx受控地发生化学还原反应生成无污染的N₂和H₂O来实现选择性催化还原SCR控制。

设置一个用于控制所述分段燃烧MSC控制机、选择性非催化还原SNCR控制机和选择性催化还原SCR控制机开关及运行的中央控制计算机，设有：

按照脱硝效率从低到高依次划分减排氮氧化物综合技术等级，与对应的水泥厂NOx最终排放量目标值M^S _NOx映射表序列，

级别1：MSC技术，→600＜M^S7 _NOx≤800，单位“mg/Nm³”，下同，脱硝效率10%～40%，

级别2：SNCR技术，→500＜M^S6 _NOx≤600，脱硝效率35%～70%，

级别3：MSC+SNCR技术，→400＜M^S5 _NOx≤500，脱硝效率60%～80%，

级别4：SCR技术，→300＜M^S4 _NOx≤400，脱硝效率78%～90%，

级别5：MSC+SCR技术，→200＜M^S3 _NOx≤300，脱硝效率90%～93%，

级别6：SNCR+SCR技术，→100＜M^S2 _NOx≤200，脱硝效率92%～95%，

级别7：MSC+SNCR+SCR技术，0＜M^S1 _NOx≤100，脱硝效率至少95%，

M^S1 _NOx表示相对于级别7的NOx最终排放量目标值，其余以此类推。

初始时在悬浮预热器C1出口处用气体成分测试仪测得NOx本底排放量，每2分钟测量一次，共测量10次，单位为“mg/Nm³”，取平均值，得到NOx本底平均排放量M⁰ _NOx，其中，阈值范围M⁰ _NOx的分级按照升序排列如下：

本底M⁰¹ _NOx第一级阈值范围：450＜M⁰¹ _NOx≤700，

本底M⁰² _NOx第二级阈值范围：700＜M⁰² _NOx≤800，

本底M⁰³ _NOx第三级阈值范围：800＜M⁰³ _NOx≤1000，

本底M⁰⁴ _NOx第四级阈值范围：1000＜M⁰⁴ _NOx≤1200，

本底M⁰⁵ _NOx第五级阈值范围：M⁰⁵ _NOx＞1200，

根据实测的NOx本底平均排放量M⁰ _NOx，以及设定的NOx最终排放量目标值M^S _NOx，即允许的NOx排放量M^S _NOx之差值，按照各级已知脱硝效率选择能达到所述NOx最终目标排放量M^S _NOx的技术级别，进行控制模式的转换。

其中：

若：M⁰ _NOx＞M^S _NOx，则选择与NOx最终排放量目标值M^S _NOx对应的技术等级更高的控制模式运行，

若：M⁰ _NOx与M^S _NOx处于同一个技术等级内，则继续按照当前控制模式运行，

若：M⁰ _NOx＜M^S _NOx，则选择与NOx最终排放量目标值M^S _NOx对应的技术等级更低的控制模式运行。

向中央控制计算机输入NOx最终排放量目标值M^S _NOx。此时输入的目标值M^S _NOx为450mg/Nm³，在M^S5 _NOx区间内，这时测得NOx本底平均排放量M⁰ _NOx为1150mg/Nm³，在M⁰⁴ _NOx第四级阈值范围内，则自动选择启动级别4，即SCR技术。

上述减排氮氧化物综合技术作业2小时后，在水泥厂废气管道出口处用气体成分测试仪测得NOx排放量，每2分钟测量一次，共测量10次，单位为“mg/Nm³”，取平均值得到M⁰ _NOx为485mg/Nm³，处于所设定M^S _NOx的区间，则发出指令，继续按照当前控制模式运行。

经过一段时间，再次测得M⁰ _NOx为405mg/Nm³，处于所设定目标值M^S _NOx的区间，则发出指令，结束该循环。

若干天后，该水泥厂更换目标值，将目标值M^S _NOx改为350mg/Nm³，在M^S4 _NOx区间内，这时测得在NOx本底平均排放量M⁰ _NOx为1075mg/Nm³，在本底M⁰⁴ _NOx区间内，则自动选择启动级别5，即MSC+SCR技术，

经过2小时后，再次测得M⁰ _NOx为315mg/Nm³，处于所设定目标值M^S _NOx的区间，则发出指令，继续按照当前控制模式运行。

经过一段时间，再次测得M⁰ _NOx为205mg/Nm³，远小于目标值M^S _NOx，则选择与NOx最终排放量目标值M^S _NOx对应的技术等级更低的控制模式运行，选择级别3，即MSC+SNCR技术。

若干月后，该水泥厂所在地区执行了新的水泥企业NOx排放标准，NOx排放量不得超过150mg/Nm³。

水泥厂将中央控制计算机的输入目标值M^S _NOx改为150mg/Nm³，在M^S2 _NOx区间内，这时测得NOx本底平均排放量M⁰ _NOx为1105mg/Nm³，在本底M⁰⁴ _NOx区间内，则自动选择启动级别7，即MSC+SNCR+SCR技术。

经过2小时后，测得M⁰ _NOx为100mg/Nm³，处于所设定目标值M^S _NOx的区间，则发出指令，结束该循环。

Claims (1)

1.水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择方法，其特征在于，是在一个水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择系统中，依次按照以下步骤实现的：

步骤(1)、依次按照以下步骤构建一个所述的水泥厂减排氮氧化物控制模式的分级综合选择系统：

步骤(1.1)、分别构建下述三种模式的水泥厂减排氮氧化物控制子系统，

MSC控制子系统：是一个受控于分段燃烧MSC控制机的子系统，在分解炉三次风的总风管处安装一个用于控制三次风风量的三次风阀门，并加装分支风管，在两个分支风管内各安装一个用于控制所述分支风管风量的阀门，所述分段燃烧MSC控制机通过控制三次风量和所述分支风管风量来实现分段燃烧MSC控制，

SNCR控制子系统：是一个受控于选择性非催化还原SNCR控制机的子系统，在分解炉下方安装专用氨水储罐、纯净水储罐、压缩空气储罐，设置喷枪、卸氨装置、排空阀、柔性软管及接口、连接管道、防雷棚和防雷设施及其装备，所述选择性非催化还原SNCR控制机通过在有氧条件下向所述分解炉喷入还原剂氨来实现减排氮氧化物的选择性非催化还原SNCR控制；

SCR控制子系统：是一个受控于选择性催化还原SCR控制机，在水泥厂的预热器下方自上而下地建立：除尘器、卸氨装置和卸氨压缩机、氨水储罐、纯净水储罐、稀释风机、混合及喷氨装置、内置多层催化剂的SCR反应器、压缩空气储罐、吹灰器和连接管道，所述选择性催化还原SCR控制机在催化剂的作用下，在有氧条件下，利用还原剂氨与烟气中的NOx受控地发生化学还原反应生成无污染的N₂和H₂O来实现选择性催化还原SCR控制；

步骤(1.2)、设置一个用于控制所述分段燃烧MSC控制机、选择性非催化还原SNCR控制机和选择性催化还原SCR控制机开关及运行的中央控制计算机，设有：

按照脱硝效率从低到高依次划分减排氮氧化物综合技术等级，与对应的水泥厂NOx最终排放量目标值M^S _NOx映射表序列，

级别1：MSC技术，→600＜M^S7 _NOx≤800，单位“mg/Nm³”，下同，脱硝效率10％～40％，

级别2：SNCR技术，→500＜M^S6 _NOx≤600，脱硝效率35％～70％，

级别3：MSC+SNCR技术，→400＜M^S5 _NOx≤500，脱硝效率60％～80％，

级别4：SCR技术，→300＜M^S4 _NOx≤400，脱硝效率78％～90％，

级别5：MSC+SCR技术，→200＜M^S3 _NOx≤300，脱硝效率90％～93％，

级别6：SNCR+SCR技术，→100＜M^S2 _NOx≤200，脱硝效率92％～95％，

级别7：MSC+SNCR+SCR技术，0＜M^S1 _NOx≤100，脱硝效率至少95％，

M^S1 _NOx表示相对于级别7的NOx最终排放量目标值，其余以此类推；

步骤(2)、初始时在悬浮预热器C1出口处用气体成分测试仪测得NOx本底排放量，每2分钟测量一次，共测量10次，单位为“mg/Nm³”，取平均值，得到NOx本底平均排放量M⁰ _NOx，其中，阈值范围M⁰ _NOx的分级按照升序排列如下：

本底M⁰¹ _NOx第一级阈值范围：450＜M⁰¹ _NOx≤700，

本底M⁰² _NOx第二级阈值范围：700＜M⁰² _NOx≤800，

本底M⁰³ _NOx第三级阈值范围：800＜M⁰³ _NOx≤1000，

本底M⁰⁴ _NOx第四级阈值范围：1000＜M⁰⁴ _NOx≤1200，

本底M⁰⁵ _NOx第五级阈值范围：M⁰⁵ _NOx＞1200，

步骤(3)、向所述中央控制计算机输入步骤(2)所取得的结果，

步骤(4)、根据实测的NOx本底平均排放量M⁰ _NOx和设定的NOx最终排放量目标值M^S _NOx之差，按照各级已知脱硝效率选择能达到所述NOx最终排放量目标值M^S _NOx的技术级别，进行控制模式的转换，其中：

若：M⁰ _NOx＞M^S _NOx，则选择与NOx最终排放量目标值M^S _NOx对应的技术等级更高的控制模式运行，

若：M⁰ _NOx与M^S _NOx处于同一个技术等级内，则继续按照当前控制模式运行，

若：M⁰ _NOx＜M^S _NOx，则选择与NOx最终排放量目标值M^S _NOx对应的技术等级更低的控制模式运行。