摘要：本文是對(duì)《山西省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案》頒布后，基于政策影響下，企業(yè)面臨的嚴(yán)峻課題-——如何保證高效脫硝而展開研究討論。通過對(duì)現(xiàn)有脫硝技術(shù)的研究和甄別，借鑒CFD流場(chǎng)研究成果對(duì)SNCR工藝進(jìn)行革新和完善，提出了工藝脫硝和流場(chǎng)脫硝的新方案。

關(guān)鍵詞：超低排放 脫硝工藝 NO_X形成機(jī)理 工藝脫硝 流場(chǎng)脫硝

1.緒論

1.1本論文的主要研究方法和研究進(jìn)展

本人供職于山水集團(tuán)旗下位于山西省呂梁市的呂梁山水水泥有限公。作為水泥行業(yè)的一個(gè)老兵，面對(duì)日益嚴(yán)厲的環(huán)保政策，有必要為此做一些必要性的技術(shù)理論研究和解決方案。從2018年底，本人廣泛收集和研究國內(nèi)外水泥回轉(zhuǎn)窯脫硝技術(shù)。經(jīng)過對(duì)案例研究，脫硝原理的深入理解，結(jié)合硅酸鹽工藝原理，CFD流場(chǎng)研究，在本企業(yè)進(jìn)行嘗試性實(shí)證研究，以及和同行專家研討，在集團(tuán)發(fā)展部脫硝技術(shù)的同時(shí)，研究出工藝脫硝+SNCR脫硝+流場(chǎng)脫硝新工藝。其中流場(chǎng)脫硝獲得國家發(fā)明專利，廣泛應(yīng)用于水泥行業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.2本論文的主要內(nèi)容概述

本論文主要分為以下四個(gè)部分：在對(duì)此課題研究的主要方法和進(jìn)展簡要闡述之余主要是：

一是講述了研究的的背景和意義主要內(nèi)容，其中有政策背景，政策背景下對(duì)企業(yè)的要求以及企業(yè)應(yīng)盡的責(zé)任，使命。

二是對(duì)目前脫硝技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀、發(fā)展水平及存在的問題中的 超低排放的概念，超低排放工藝技術(shù)改造路線；現(xiàn)有脫硝工藝技術(shù)的利弊進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與探討。

三是對(duì)個(gè)人研究的“工藝脫硝+SNCR脫硝+流場(chǎng)脫硝”新工藝從工藝脫硝，SNCR脫硝、流場(chǎng)脫硝新工藝，以及“工藝脫硝+流場(chǎng)脫硝+SNCR脫硝”關(guān)鍵點(diǎn)與應(yīng)該關(guān)注的問題等方面，全面闡述了新工藝的創(chuàng)新理論基礎(chǔ)與創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用方案和關(guān)鍵點(diǎn)。

最后以高度的責(zé)任感，表達(dá)了水泥熟料企業(yè)為推動(dòng)行業(yè)綠色低碳發(fā)展過程中勇于擔(dān)當(dāng)企業(yè)使命責(zé)任，充分發(fā)揮脫硝新工藝的先進(jìn)性，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在這篇論文的寫作過程中，雖然從中學(xué)到了許多有用的東西，也積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但由于自我學(xué)識(shí)淺薄，認(rèn)識(shí)不足，在理解上有諸多偏頗和淺薄的地方;也由于理論功底的薄弱，存有不少邏輯不暢和辭不達(dá)意的問題。許多問題還有待于進(jìn)一步思考和探索，萬分懇切的期望各位專家能夠提出寶貴的意見，從而進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)研究。

2.研究背景及意義

2.1政策背景

為貫徹習(xí)近平總書記兩山理論和環(huán)保方面的重要講話精神，落實(shí)山西省委、省政府綠色代碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的具體舉措，推動(dòng)山西建材行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，山西省生態(tài)環(huán)境廳、山西省工信廳聯(lián)合印發(fā)《山西省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案》。方案的實(shí)施意味著山西省要全面啟動(dòng)水泥行業(yè)超低排放改造，促進(jìn)環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善，進(jìn)一步推進(jìn)水泥行業(yè)綠色升級(jí)。為推進(jìn)水泥行業(yè)全流程、系統(tǒng)化環(huán)境治理，提升精細(xì)化環(huán)境管理水平，堅(jiān)持源頭防控、過程管控、末端治理全面發(fā)力，協(xié)同推進(jìn)減污降碳，有效提高水泥行業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效益明確了工作目標(biāo)：①全省新建（含搬遷）水泥企業(yè)要達(dá)到超低排放水平。列 入淘汰計(jì)劃的水泥企業(yè)可不再實(shí)施超低排放改造。②到 2024年12月底前，全省水泥企業(yè)全面完成超低排放改造。

2.2對(duì)企業(yè)的要求

基于這種這種政策要求，水泥制造行業(yè)必須準(zhǔn)確把握超低排放改造的具體內(nèi)涵。首先，超低排放改造不同于以往單純的尾部治理，簡單上幾套設(shè)施就完事。超低排放改造要貫穿于水泥生產(chǎn)全工序、全流程、全時(shí)段，包括有組織排放、無組織排放、清潔運(yùn)輸?shù)榷家_(dá)到超低排放要求。同時(shí)還要考慮減污降碳協(xié)同，從源頭上解決污染問題。每個(gè)工序、每個(gè)環(huán)節(jié)都不能放過。其次，超低排放改造是從治理到管理，從硬件到軟件的全面提升，企業(yè)的理念必須改變，管理必須提升，環(huán)境監(jiān)控做到全覆蓋，真正實(shí)現(xiàn)從粗放管理向精細(xì)化、系統(tǒng)化管理轉(zhuǎn)變。最后，超低排放改造必須能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，僅僅是評(píng)估驗(yàn)收時(shí)的超低排放不能算是真正的超低排放。這就要求水泥企業(yè)對(duì)超低排放改造工程要真正重視，不搞敷衍應(yīng)付。

超低排放改造要以技術(shù)質(zhì)量和改造質(zhì)量為核心。技術(shù)路線選擇時(shí)要把好關(guān)，堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)的原則，選擇真正能夠見效、成熟可靠的工藝裝備，并留出適當(dāng)?shù)脑６取＝ㄔO(shè)過程要嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求，杜絕偷工減料。超低排放改造工程量大，需要資金投入多，改造周期長，經(jīng)不起反復(fù)折騰。技術(shù)單位要為企業(yè)負(fù)責(zé)。

超低排放改造的時(shí)間進(jìn)度異常緊張。根據(jù)《山西省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案》，新、改、擴(kuò)建水泥項(xiàng)目要同步達(dá)到超低排放水平，到2024年12月底前全省水泥企業(yè)全面完成超低排放改造。

抓緊制定超低排放改造項(xiàng)目方案迫在眉睫。對(duì)于積極開展超低排放改造的企業(yè)，省里將加大資金支持力度，項(xiàng)目方案既是超低排放改造的基礎(chǔ)，也是申報(bào)資金的必備材料。水泥企業(yè)要盡快完成超低排放項(xiàng)目可行性研究報(bào)告，并主動(dòng)向所在地生態(tài)環(huán)境部門報(bào)告，在各市生態(tài)環(huán)境局的指導(dǎo)下，做好項(xiàng)目入庫工作。山西省生態(tài)環(huán)境廳正在加緊制定的《水泥行業(yè)超低排放監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)指南》及后續(xù)動(dòng)態(tài)管理規(guī)則，嚴(yán)格超低排放改造評(píng)估。

2.3企業(yè)使命

這一文件的發(fā)布，雖然使得水泥行業(yè)不得不為水泥生產(chǎn)技術(shù)迭代，設(shè)備措施的更新?lián)Q代增加更大的投入而面臨更加嚴(yán)峻的生存壓力，但是這一要求順應(yīng)民意，適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。低碳生活，超低排放，是當(dāng)今國家對(duì)世界的承諾，也是人民對(duì)們好生活的訴求，更是為了實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的必經(jīng)歷程。做好碳達(dá)峰、碳中和工作，是黨中央作出的重大決策部署，是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。作為企業(yè)和企業(yè)家更要正確認(rèn)識(shí)其時(shí)代意義及偉大使命，縱深投入到真?zhèn)ゴ蟮臍v史洪流中，順勢(shì)而為做好技術(shù)升級(jí)和改造的洪流當(dāng)中，主動(dòng)作為，交好答卷。無論超低排放還是碳達(dá)峰，都是必答題，都是我們必須直面的現(xiàn)實(shí)，這是一場(chǎng)大仗、硬仗，水泥制造企業(yè)必須打好，必須打贏。

3、脫硝技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀、發(fā)展水平及存在的問題

3.1超低排放的概念

對(duì)于超低排放，目前國內(nèi)比較普遍的概念是指污染物排放標(biāo)準(zhǔn)基本達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中排放限值(即在基準(zhǔn)氧含量10%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m³.

3.2超低排放工藝技術(shù)路線

3.2.1脫硝技術(shù)路線

目前被水泥廠廣泛采用的脫硝技術(shù)主要為“低氮燃燒器+非選擇性催化還原法SNCR”，行業(yè)內(nèi)部分企業(yè)采用SCR(選擇性催化還原法)脫硝技術(shù)。

低氮燃燒技術(shù)主要是通過降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒器的火力點(diǎn)溫度，大幅減少窯內(nèi)產(chǎn)生的NO_X。SNCR技術(shù)是窯內(nèi)的煙氣進(jìn)入預(yù)熱器后煙氣中的氮氧化物和氨氣進(jìn)一步反應(yīng)，將煙氣中的氮氧化物濃度降低至100mg/m³以下。SCR技術(shù)則是在C1出口在低溫情況下進(jìn)行有選擇性的還原脫硝。

   3.2.2現(xiàn)有脫硝工藝技術(shù)各有利弊。

1）低氮燃燒技術(shù)主要是通通過降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒器的火力點(diǎn)溫度，大幅減少窯內(nèi)產(chǎn)生的NO_X，其勢(shì)必會(huì)造成水泥熟料產(chǎn)量的降低和水泥熟料質(zhì)量的下降。行業(yè)技術(shù)人員都知道，水泥熟料的煅燒必須要有一定的溫度和熱力流場(chǎng)來做保證，低氮燃燒器降低了火焰的峰值溫度，從1450攝氏度以上減低到1250攝氏度左右，讓火焰細(xì)長而不集中，其消耗了燃料降低了NO_X，但是對(duì)水泥熟料中的固液相反應(yīng)以及C₃S/C₂S等成分晶型的形成卻造成了缺陷。所以在行業(yè)內(nèi)對(duì)產(chǎn)能的釋放和產(chǎn)品的質(zhì)量有明顯的制約，為此目前更多的企業(yè)選擇更合適的燃燒器。

2）SNCR技術(shù)是窯內(nèi)的煙氣進(jìn)入預(yù)熱器后煙氣中的氮氧化物和氨氣進(jìn)一步反應(yīng)，將煙氣中的氮氧化物濃度降低至100mg/m³以下。在正常的企業(yè)當(dāng)中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的本底NO_X濃度一般在800mg/m³左右，隨著煅燒工藝和技術(shù)的發(fā)展（尤其是加強(qiáng)了篦冷機(jī)冷卻，譬如現(xiàn)在四代步進(jìn)式篦冷機(jī)的快速推廣可以將二次風(fēng)溫提高到1250攝氏度以上，對(duì)三層風(fēng)管改造可以將三次風(fēng)溫提高到950攝氏度以上），生產(chǎn)技術(shù)革新以后，有些企業(yè)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的本底NO_X濃度就會(huì)上升到在1300mg/m³以上。使得SNCR技術(shù)的應(yīng)用遇到極大的瓶頸，因?yàn)榘彼杀緯?huì)成倍的增加，氨逃逸會(huì)幾何數(shù)增加。這里面一般會(huì)是脫硝窗口的選擇不利，更多的是SNCR技術(shù)其本身是出于在氣固比較高的流場(chǎng)當(dāng)中進(jìn)行反應(yīng)，一個(gè)是反應(yīng)溫度、再有就是反應(yīng)時(shí)間、捕集速率、粉塵的干擾和裹挾等等變幻多端，相對(duì)固定的反應(yīng)區(qū)域不足以進(jìn)行精準(zhǔn)反應(yīng)。

3）SCR脫硝法SCR（Selective Catalytic Reduction ）即為選擇性催化還原技術(shù)：在300~400℃的工況條件下，煙氣中的NO_x在有催化劑存在的情況下，同還原劑氨發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)無害的氮?dú)夂退Ｖ饕磻?yīng)方程式：4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂+ 6H₂O 6NO + 4NH₃ → 5N₂+ 6H₂O 反應(yīng)溫度為220~350℃。

國外SCR應(yīng)用案例：

國內(nèi)SCR應(yīng)用現(xiàn)狀

SCR在國內(nèi)水泥窯上應(yīng)用難點(diǎn)：高塵堵塞。顆粒物會(huì)堵塞催化劑，必須配專有吹灰，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)；高堿環(huán)境。煙氣中含CaO、Na₂O、K₂O等，須使用抗堿催化劑?？沽蛐耘c溫度的選擇。煙氣中SO₂、SO₃會(huì)使催化劑中毒，合理選擇工況溫度，須抗硫催化劑。催化劑低溫失活。如將SCR安裝在除塵器的下游，必須安裝煙氣再熱器，加熱煙氣到催化劑的最佳工作溫度。空間受限。施工難度大，須投入較大施工成本。初始投資費(fèi)用大，投資回報(bào)期長。

4）各種現(xiàn)有脫硝技術(shù)方案應(yīng)用對(duì)比：

4.脫硝技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新研究和應(yīng)用

基于國家對(duì)有組織排放政策的從緊，在河南山東率先進(jìn)入50mg/m³排放時(shí)代背景下，加大超低排放技術(shù)研究和應(yīng)用迫在眉睫。對(duì)現(xiàn)有的脫硝工藝進(jìn)行充分研究之后，覺得研究更科學(xué)經(jīng)濟(jì)實(shí)效的脫硝技術(shù)勢(shì)在必行。為此本人依托集團(tuán)技術(shù)發(fā)展部的雄厚實(shí)力共同研發(fā)了流場(chǎng)脫硝工藝和工藝脫硝工藝技術(shù)。

4.1工藝脫硝

工藝脫硝法是在分解爐內(nèi)增加還原室，將窯內(nèi)產(chǎn)生的氮氧化物進(jìn)行還原，從而降低煙氣中的氮氧化物含量，一般可以使得煙氣中的本地濃度降低50%以上。

4.1.1工藝脫硝方案

①將煙室原縮口部位舊金屬膨脹節(jié)拆除，向分解爐錐部垂直延伸,增設(shè)金屬膨脹節(jié)，分解爐柱體部分拆除，并延長分解爐錐體，分解爐錐體、縮口、煙室部位拆除重新制作。

②根據(jù)三次風(fēng)入爐速度和流場(chǎng)分布的需要，將三次風(fēng)管與分解爐連接處部分舊管道拆除，并重新制作新管道（含金屬膨脹節(jié)及三次風(fēng)閥門）進(jìn)行連接入煙室，拆除舊管道重新制作新管進(jìn)行安裝。

③在原四級(jí)A、B錐體下料管部位，各增加分料閥分別引入三次風(fēng)上部及分解爐錐部， C4下料點(diǎn)由兩點(diǎn)下料改為四點(diǎn)下料，將少量生料沿分解爐錐部內(nèi)部下滑，避免分解爐錐部高溫結(jié)皮現(xiàn)象。

④在分解爐錐部設(shè)計(jì)脫氮還原區(qū)，將分解爐煤粉分6點(diǎn)、一用一備，分解爐錐部4點(diǎn)、分解爐中部2點(diǎn)，在保證煤粉充分燃燒的同時(shí)，適當(dāng)增加分解爐錐部的煤粉喂入比例，保證缺氧燃燒產(chǎn)生的還原氣氛，還原窯尾煙氣中大量的NO_x，產(chǎn)生良好的脫硝效率。

⑤五級(jí)錐體做偏心錐將下料管物料由原來的煙室左右進(jìn)入煙室改為后側(cè)進(jìn)。

4.1.2工藝脫硝工作機(jī)理

2）工藝脫硝的基本原理是在煙室和分解爐之間建立還原燃燒區(qū)，將原分解爐用煤的一部分均布到該區(qū)域內(nèi)，使其缺氧燃燒以便產(chǎn)生CO、CH₄、H₂、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NO_x發(fā)生反應(yīng)，將NO_x還原成N₂等無污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒也抑制了自身燃料型NO_x產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的NO_x減排。

3）工藝脫硝技術(shù)要點(diǎn)1、分解爐合理分煤，形成強(qiáng)烈還原區(qū)；2、四周切線噴煤，延長停留時(shí)間（0.4~0.6s），促進(jìn)還原反應(yīng)；3、與工藝完美結(jié)合，避免結(jié)皮堵塞，提高運(yùn)行穩(wěn)定性；4、CFD計(jì)算機(jī)模擬，理論結(jié)合實(shí)際，優(yōu)化流場(chǎng)，增強(qiáng)混合，提高效率；5、配合SNCR，同比氨水用量下降30%-50%，穩(wěn)定NO_x濃度＜100mg/Nm³。部分生產(chǎn)線可穩(wěn)定NO_x在＜50 mg/Nm³ 。

4）工藝脫硝反應(yīng)機(jī)理示意圖

4.1.3工藝脫硝的創(chuàng)新點(diǎn)

采用工藝脫硝降低并還原窯內(nèi)產(chǎn)生的熱力型NO_x，抑制燃料型NOx的生成， NO_x限值排放有效控制在100mg/m3以下，滿足環(huán)保排放要求。對(duì)生產(chǎn)線正常生產(chǎn)運(yùn)行和水泥熟料產(chǎn)、質(zhì)量無不利影響。減少氨水消耗量，不增加生產(chǎn)運(yùn)行成本。使運(yùn)行參數(shù)得以優(yōu)化，系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量和穩(wěn)定性提升，并有一定的節(jié)能效果。適當(dāng)降低窯內(nèi)通風(fēng)和喂煤量，增加三次風(fēng)量和分解爐喂煤量，盡量降低窯內(nèi)過剩空氣系數(shù)，減少NO_x的生成量；降低高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，盡量減少系統(tǒng)用風(fēng)，在保證脫硝效率的同時(shí)可降低熟料燒成熱耗，同時(shí)系統(tǒng)阻力有所降低。

4.1.4工藝脫硝的應(yīng)用案例

工藝脫硝已經(jīng)在山水集團(tuán)全面推廣，經(jīng)對(duì)淄博山水公司工藝脫硝項(xiàng)目實(shí)際論證效益明顯，效果顯著。

經(jīng)濟(jì)效益：一條日產(chǎn)5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線，技改后在NO_X排放控制標(biāo)準(zhǔn)150mg /m3不變的情況下，改造前使用氨水量1.0--1. 5噸/小時(shí)，改造后使用氨水量0.6~1噸/小時(shí)，每小時(shí)降低0.7噸，每天節(jié)約氨水16.8噸，氨水價(jià)格800元/噸，窯年運(yùn)轉(zhuǎn)率為70%，每年可節(jié)約脫硝成本：16.8噸×800元/噸×365天×70%=343.392萬元/年。同時(shí)因尾煤系統(tǒng)的優(yōu)化，喂煤壓力波動(dòng)較技改前波動(dòng)下降，壓力下降1kpa，回轉(zhuǎn)窯工況穩(wěn)定，產(chǎn)量提高近200噸/天，煤耗下降近7kg/t,年產(chǎn)量按130萬噸，煤價(jià)按800元/噸,燃料成本降低728萬元，電耗降低1.5kwh/t，年產(chǎn)量按130萬噸，電價(jià)按0.56元/噸，電力成本降低1300000*0.56*1.5=109.2萬元，年產(chǎn)生綜合效益約1181萬元左右，熟料生產(chǎn)線改造總投資470萬元左右，改造前后運(yùn)行參數(shù)及窯況基本無變化，在不增加運(yùn)行成本的情況下，當(dāng)年可快速收回成本，并可為公司帶來持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益。

社會(huì)效益：通過本次工藝脫硝技改可以減少氨水制造過程中的污染物排放。同時(shí)隨著熱工系統(tǒng)氨水噴入的減少可降低煤耗,減少CO₂對(duì)大氣排放量。

應(yīng)用效果圖：

4.2流場(chǎng)脫硝

流場(chǎng)脫硝是根據(jù)CFD流場(chǎng)模型，對(duì)預(yù)熱器各部位進(jìn)行研究，結(jié)合SNCR脫硝工藝?yán)碚摶A(chǔ)，重點(diǎn)針對(duì)脫硝窗口的選擇，精準(zhǔn)確定反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，提高捕集速率，杜絕粉塵的干擾和裹挾等等從而提高反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)超低排放。主要路徑是根據(jù)CFD流場(chǎng)結(jié)果，在預(yù)熱器分結(jié)爐、預(yù)熱器5級(jí)旋風(fēng)筒等部位精準(zhǔn)的布置氨水噴槍的數(shù)量和點(diǎn)位，通過定量控制技術(shù)應(yīng)對(duì)不同的窯況進(jìn)行精準(zhǔn)脫硝。

4.2.1 NO_x主要生成來源

NOx主要生成來源為熱力型NO_x和燃料型NO_x。熱力型NO_x主要產(chǎn)生在高溫區(qū)域，此NO_x占生成量的70%。比如回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，故窯溫越低NO_x生成量越少，氨水使用量越低。燃料型NO_x:主要來源于原料及煤，此NO_x占生成量的30%。

4.2.2 影響SNCR脫硝效率的因素

1）溫度影響：NO_x 的還原反應(yīng)發(fā)生在一特定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，由于SNCR 未使用催化劑故需要較高的溫度來保證還原反應(yīng)的進(jìn)行（SNCR的反應(yīng)溫度區(qū)間850℃～1150℃）。反應(yīng)溫度對(duì)SNCR 反應(yīng)中NO_x 的脫除率有重要影響。如果溫度太低，這會(huì)導(dǎo)致NH₃反應(yīng)不完全，形成所謂的“氨穿透”，增大NH₃逸出的量形成二次污染；隨著溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，氨水的蒸發(fā)與擴(kuò)散過程得到加強(qiáng)，對(duì)于SNCR 而言，當(dāng)溫度上升到800℃以上時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率明顯加快，在900℃左右時(shí)，NO 的消減率達(dá)到最大；然而隨著溫度的繼續(xù)升高，超過1200℃后，NH₃與O₂的氧化反應(yīng)會(huì)加劇，生成N₂、N₂O或者NO，增大煙氣中的NO_x 濃度，NO_x濃度反而會(huì)升高。

2）氨水和煙氣混合的程度：首先需保證噴槍霧化良好，建議使用單孔噴槍，噴槍數(shù)量足夠滿足覆蓋面，根據(jù)噴射面尺寸決定噴槍的數(shù)量。目前噴槍主要定位于鵝頸管出口、C5直筒部位及C5上升煙道。

分解和NO_x 的還原等步驟須全部完成，一般要求時(shí)間為0.5秒。

 3）還原劑停留的時(shí)間：因?yàn)槿魏畏磻?yīng)都需要時(shí)間，所以在合適的溫度范圍內(nèi)必須保證還原劑在煙氣中有足夠的停留時(shí)間，以期發(fā)生還原反應(yīng)。在相同條件下，較長還原劑停留時(shí)間，脫硝效果更好，在此時(shí)間內(nèi)，NH₃或尿素等還原劑與煙氣的混合、水的蒸發(fā)、還原劑的

4）氨氮比（NSR）：即反應(yīng)中氨與NO_x的摩爾比值，按照SNCR 反應(yīng)，還原1mol NO_x 需要1mol 氨，但實(shí)際中還原劑的量要比這個(gè)量大，因?yàn)閷?shí)際反應(yīng)比較復(fù)雜，且氣體混合不均勻，要達(dá)到較好的脫硝效果就必須增大還原劑量。但實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)NH₃/NO_x比達(dá)到2.0以上時(shí)，NO_x脫除率曲線明顯變緩，NH₃/NO_x比過大則會(huì)引起氨氣逸出量增大，造成污染，成本升高。根據(jù)大量實(shí)際案例及數(shù)據(jù)表明，我司氨氮摩爾比可達(dá)到1.05~1.1之間，脫硝效率最高可滿足90%以上。

5）煙氣氣氛：煙氣中的O₂、CO、H₂O、H₂、CH_x等成分都對(duì)脫硝反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響作用。O₂是SNCR反應(yīng)的重要反應(yīng)物，已有研究表明在沒有O₂的條件下，SNCR反應(yīng)很難發(fā)生，而在煙氣典型的O₂濃度范圍內(nèi)，O₂濃度對(duì)SNCR的反應(yīng)影響并不大，下圖是不同O₂濃度下，簡化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理預(yù)測(cè)的反應(yīng)過程的比較。由下圖可見，簡化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理可以很好的反應(yīng)O₂濃度對(duì)SNCR反應(yīng)的影響規(guī)律。在O₂濃度小于0.1%時(shí)，SNCR反應(yīng)幾乎不可能發(fā)生，在1%~4%時(shí)，O₂濃度的提高可以稍微加快SNCR反應(yīng)，且出口NO濃度會(huì)有稍微提高，但影響不大。

根據(jù)我司現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，CO濃度的高低，對(duì)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行效率影響較大。在CO濃度顯示1.7%~2%時(shí)，脫硝效率大幅度下降，脫硝反應(yīng)基本不能發(fā)生。

如上圖所示，在固定氨水流量、固定產(chǎn)量及喂煤量的情況下，CO濃度在0.5%~1%以下的情況下，對(duì)SNCR系統(tǒng)脫硝效率的影響幅度不大，濃度增長了50 mg/Nm³；CO濃度在1-1.5%之間時(shí)，對(duì)脫硝效率的影響變大，濃度增加了100-200 mg/Nm³；當(dāng)CO濃度超過1.5%以后，NO_x濃度升高速度明顯加快，在CO濃度超過1.7%以后，NO_x濃度接近本底值，脫硝反應(yīng)不發(fā)生，此CO濃度指的是C1出口，CO為1%對(duì)應(yīng)的數(shù)值為1000mg/Nm³，因本項(xiàng)目NO_x需控制50mg/Nm³以下，故CO濃度越低越好，后續(xù)需從工藝手段上進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。以上數(shù)據(jù)不代表所有生產(chǎn)線，CO數(shù)據(jù)僅做參考，每條窯情況也有略微差異。

4.2.3流場(chǎng)脫硝的實(shí)施方案的要點(diǎn)

1）氨水噴槍的流場(chǎng)位置選擇

C5旋風(fēng)筒筒體，風(fēng)速在4~5m/s，且含塵量低，理論計(jì)算反應(yīng)時(shí)間可達(dá) 到0.5s，更有利于NO_x減排；

其他位置的多層布置：結(jié)合CFD流場(chǎng)模擬及實(shí)際料風(fēng)分布情況，可選擇在C5旋風(fēng)筒出風(fēng)口、 進(jìn)風(fēng)口下方、分解爐出口至C5筒風(fēng)管等位置設(shè)置氨水噴槍進(jìn)行NO_x減排，各位置可重疊布置。

2)氨水用量與窯況的匹配

4.2.4流場(chǎng)脫硝需要關(guān)注的幾個(gè)問題

（1）產(chǎn)量提的高，分解爐爐容小，提產(chǎn)時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)供風(fēng)不足，系統(tǒng)缺氧造成CO超標(biāo)；

（2）煤粉稱精度不夠或喂煤系統(tǒng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)沖煤造成CO瞬間超標(biāo)；

（3）按照脫硝機(jī)理理論分析，4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

NO+CO(NH₂)₂ +1/2O₂ → 2N₂ + CO₂ + H₂O；

分級(jí)燃燒改造完成后CO會(huì)頻繁出現(xiàn)超標(biāo)；應(yīng)用過程中應(yīng)注意CO超標(biāo)和系統(tǒng)缺氧的影響。

（4）選擇溫度范圍時(shí)考慮反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)距離；

（5）噴槍與煙氣盡量充分混合，保證噴槍霧化效果，噴槍位置溫度的合適與否，保障霧化后的流場(chǎng)結(jié)合的緊密度。

（6）C3下料管對(duì)C5上升煙道溫度的影響；

“十四五”是我國環(huán)保工作的關(guān)鍵時(shí)期，環(huán)保工作將面臨很大的挑戰(zhàn)。超低排放尤其是NOX超低排放改造加大了水泥熟料企業(yè)的運(yùn)營成本，影響了企業(yè)效益，但是，做為排污主體責(zé)任的企業(yè)有義務(wù)、有責(zé)任對(duì)排放的污染物進(jìn)行治理。我們要在打造綠色環(huán)保企業(yè)的同時(shí)更應(yīng)該注重脫硝工藝的理論研究和技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，工藝脫硝和流場(chǎng)脫硝技術(shù)完全可以做到既能適應(yīng)國家政策早日實(shí)現(xiàn)超低排放，同時(shí)降低運(yùn)營成本，從而為天更藍(lán)、水更綠的生態(tài)文明建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

參考資料：

1. 中國環(huán)境科學(xué)研究院劉宇《水泥行業(yè)超低排放改造與績效分級(jí)管控政策》

2. 中國水泥協(xié)會(huì)李琛《水泥行業(yè)碳達(dá)峰碳中和及產(chǎn)業(yè)政策解析》

3. 中國建筑材料科學(xué)研究總院汪瀾《水泥窯爐煙氣中低溫脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用》

4. 《山西省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案》

5. 武漢理工大學(xué)陳作炳《CFD技術(shù)及其在水泥工業(yè)的應(yīng)用研究》

作者：黃忠（晉城山水合聚水泥有限公司）

王金祥（山水集團(tuán)集團(tuán)總部）

黃昊（山東山水重工有限公司）