一种干法水泥回转窑的脱硝系统及其控制方法与流程

本发明涉及烟气脱硝技术领域，具体涉及一种干法水泥回转窑的脱硝系统及其控制方法。

背景技术：

干法水泥回转窑上常用的nox控制方法主要有：优化窑和分解炉的燃烧条件以减少氨氮的生成；改变配料方案，掺用矿化剂以求降低熟料烧成温度和时间，改进熟料易烧性，减少氨氮的生成；采用低nox的燃烧器；采用在窑尾分解炉和管道中的阶段燃烧技术。然而常用的四种方法即使联合使用，水泥窑的nox排放也很难达到500mg/nm³以下。

为了降低氨氮排放浓度，许多新建的水泥干法生产线开始采用选择性非催化还原(sncr)脱硝法或选择性催化还原(scr)脱硝法进一步降低nox排放浓度，以求达到nox排放浓度在100mg/nm³以内的环保要求。但是现有的脱硝系统使用效果不理想，主要问题是脱硝效率低，氨水耗量大，运行成本高；nox排放浓度控制不稳定，经常出现超过环保要求的高峰值。

sncr为在850～1050℃下，将含氮的化学剂喷入烟气中，将烟气中的nox还原生成氮气和水的方法。一般来说分解炉中上部的温度区间刚好符合sncr的反应温度窗口，即850～1050℃，使用sncr方法有很好的脱硝效果，且无需催化剂，建造及运行成本均低于scr。因此现有干法水泥回转窑一般都采用在分解炉内设置脱硝喷枪，采用sncr法脱硝，但是单纯的在分解炉上采用sncr脱硝技术，常出现氨水喷入过量造成使用成本高，或氨水喷入不足造成阶段性氮氧化物超标的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中使用sncr脱硝技术，nox排放浓度控制不稳定达不到环保要求，氨水耗量大，运行成本高的问题；本申请的发明人通过对水泥行业内各种分解炉的炉内流场及温度场分布，以及燃料特性做了深入的研究及大量的分析工作后，发现与分解炉出口相连接的c5旋风筒的进风口或出风口也符合sncr的反应温度窗口，在分解炉及c5旋风筒的适当位置设置经过优化的喷枪组，可有效的提升nox的脱除率，能够将窑尾烟气的nox浓度降到100mg/nm³以下，同时可以大幅减少氨水的使用量。

本申请的发明人提出了一种干法水泥回转窑的脱硝系统及方法，通过在分解炉及c5旋风筒分别设置氨水喷射系统，两路氨水单独计量分配，首先控制分解炉的喷氨量使之满足排放口的氨氮浓度要求，当分解炉的喷氨量达到最大值而出口烟气的氨氮浓度仍不满足环保要求时启动c5旋风筒的喷射系统，通过二次喷氨使之与烟气中的nox进一步化合，将其还原成氮气和水，出口烟气的氨氮浓度稳定控制在100mg/nm3以内，满足环保要求。

本发明采用的第一技术方案是：一种干法水泥回转窑的脱硝系统，包括还原剂输送模块、计量分配模块及若干组混合喷射模块；所述混合喷射模块分别设于水泥回转窑分解炉及c5旋风筒的符合sncr反应温度窗口的温度区间内，用于向分解炉及c5旋风筒中喷射还原剂使烟气中的nox还原生成氮气和水；还原剂输送模块用于还原剂的输送，计量分配模块用于将还原剂输送模块输送来的还原剂定量分配给各混合喷射模块。

本发明采用的第二技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第二技术方案是：所述温度区间为850℃～1050℃。温度窗口制约了喷入点位置的选择，同时也决定了还原剂在分解炉内的停留时间，烟气中的o2、co、h20、h2、chi等成分都对nh3x反应产生一定的影响作用。对于o2来说，在缺氧的情况下，sncr反应并不会发生，而氧浓度在0.5％～2.2％之间，最终的nox浓度变化不大。在850℃～1050℃温度区间的内脱硝效率较高。

本发明采用的第三技术方案是在第一或第二技术方案上的改进，本发明采用的第三技术方案是：所述混合喷射模块包括环形喷枪群，所述环形喷枪群包括若干支脱硝喷枪，所述脱硝喷枪沿分解炉及c5旋风筒的径向插入，且在周向上均匀分布，单支喷枪的喷射中心线与分解炉及c5旋风筒的径向线呈5～15°夹角。喷枪与径向设置夹角，可使喷枪喷射时产生旋流作用，使喷射系统的有效覆盖面更高，从而提高脱硝效率，减少氨逃逸量，降低脱硝运行成本；同时还可以降低氨逃逸对除尘、余热发电设备的影响，降低设备腐蚀。

本发明采用的第四技术方案是在第三技术方案上的改进，本发明采用的第四技术方案是：所述脱硝喷枪为双流体pq-02型喷枪，喷枪的雾化压力为0.5～0.8mpa，雾化颗粒为20～80um。

喷枪是sncr脱硝的关键设备，其雾化效果直接关系到整个脱硝系统的脱硝效率。西普环保的pq-02喷枪是第二代双流体喷枪，依靠压缩空气的推动力使氨水雾化，在高温高粉尘的环境下也能具有良好的雾化效果和穿透能力。采用一体化制造的pq-02喷枪具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、可快速调整喷射角度的特点，可将还原剂高效雾化并和压缩空气充分混合，并通过流量指示功能，实时检查喷枪的使用情况，快速发现喷枪的异常情况。

本发明采用的第五技术方案是在第三技术方案上的改进，本发明采用的第五技术方案是：所述混合喷射模块还包括依次围绕在环形脱硝喷枪群外周的压缩空气环管、还原剂环管及清洗水环管；压缩空气环管通过支管与每支脱硝喷枪的压缩空气进口连接，用于为喷枪提供喷射动力源，使还原剂雾化并达到喷射距离；还原剂环管通过支管与每支脱硝喷枪的还原剂进口连接，用于为喷枪提供还原剂；清洗水环管通过支管与每支脱硝喷枪的清洗水进口连接，用于提供清洁水源清洗喷枪。

通过压缩空气将喷枪喷出的氨水雾化，雾化后的氨水与烟气充分混合发生反应，压缩空气运行时保持常开状态，一方面为喷枪提供喷射动力源，另一方面作为喷枪的冷却清洁介质保护喷枪不被堵塞或烧坏。正常运行时清洗水管路处于关闭状态，只有在停止喷氨时才将清洗水打开，冲洗喷枪，防止喷枪堵塞或腐蚀。

本发明采用的第六技术方案是在第三技术方案上的改进，本发明采用的第六技术方案是：所述还原剂输送模块包括还原剂输送泵，还原剂输送泵用于将还原剂储罐中的还原剂通过计量分配模块输送至脱硝喷枪群。

本发明采用的第七技术方案是在第六技术方案上的改进，本发明采用的第七技术方案是：所述计量分配模块包括流量计、压力变送器、流量调节阀及分支管路；所述分支管路的总进口与还原剂输送模块的出口连接，各分支管路的出口依次设有流量调节阀、流量计及压力变送器，各分支管路的出口分别与环形喷枪群的还原剂进口连接，流量调节阀用于调节进入各环形喷枪群的还原剂的流量大小，流量计用于计量流量，压力变送器用于检测进入各环形喷枪群的还原剂的喷射压力。

本发明采用的第八技术方案是在第七技术方案上的改进，本发明采用的第八技术方案是：所述脱硝系统还包括plc控制系统及设置在烟气排放口的氨氮浓度检测仪，氨氮浓度检测仪、流量计、压力变送器、流量调节阀及还原剂输送泵分别与plc控制系统连接；氨氮浓度检测仪将检测的出口氨氮浓度值传送至plc控制系统，plc控制系统根据出口氨氮浓度控制流量调节阀的开度。

本发明采用的第九技术方案是：第八技术方案所述的脱硝系统的控制方法，包括以下步骤：

9.1、首先根据不同炉型的分解炉炉内流场及温度场分布、燃料特性等因素设定分解炉和c5旋风筒内喷入的还原剂分配比例；根据排放要求设定烟气出口的nox排放浓度；

9.2、plc控制系统实时比较在线检测的nox实时值与设定值，计算两者差值的绝对值a；设定差值绝对值a的上限值与下限值；

9.3、plc控制系统按设定的比例分别向分解炉及c5旋风筒供应还原剂；当nox实时值超过设定值且差值绝对值a达到上限，或nox实时值没有超过设定值但有上升趋势时，plc控制系统首先控制计量分配模块中供应分解炉的分支管路上流量调节阀加大开度，增加分解炉内还原剂的输入量，增加量与差值绝对值a线性相关，差值绝对值a越大，增加量越大；当分解炉内还原剂增加到一定量后，出口nox浓度下降，差值绝对值a减小，当差值绝对值a减小到设定下限时维持当前还原剂输入量；如分解炉内还原剂增加到最大量后，出口nox浓度仍达不到要求，plc控制系统控制计量分配模块中供应c5旋风筒的分支管路上流量调节阀加大开度，增加c5旋风筒内还原剂输入量，增加量与差值绝对值a线性相关，差值绝对值a越大，增加量越大；当c5旋风筒内还原剂增加到一定量后，出口nox浓度下降，当差值绝对值a减小到设定下限时维持当前还原剂输入量；

9.4、当nox实时值低于设定值且达到上限时，plc控制系统首先控制c5旋风筒的分支管路的流量调节阀减小开度，减少旋风筒内还原剂输入量，减少量与差值绝对值a线性相关，差值绝对值a越大，减少量越大；当旋风筒内还原剂减少到一定量后，出口nox浓度上升，差值绝对值a减小，当差值绝对值a减小到设定下限时维持当前还原剂输入量，设定维持时间为t1，如果在维持时间t内nox实时值一直低于设定值时，plc控制系统关闭c5旋风筒的分支管路上流量调节阀，停止向c5旋风筒供应还原剂；同时控制分解炉的分支管路上流量调节阀减小开度，减少分解炉内还原剂输入量，减少量与差值绝对值a线性相关，差值绝对值a越大，减少量越大；当分解炉还原剂减少到一定量后，出口nox浓度上升，差值绝对值a减小，当差值绝对值a减小到设定下限时维持当前还原剂输入量；

9.5、设定维持时间为t2，在维持时间t2内nox实时值一直低于设定值时，再次下调分解炉还原剂输入量，进一步降低还原剂输入量。

由于从喷氨到反应区，窑尾检测时间需2～3分钟，还原剂输出量的控制调节具有较大的滞后性，为了减少滞后性效应，本系统采用上述趋势控制法，且分步调节分解炉及c5旋风筒中还原剂的输入量，分解炉内温度较高且烟气中氨氮浓度高，所以首先控制分解炉内脱硝效果，当分解炉内脱硝效果达不到要求时在控制c5旋风筒内的脱硝效果，以提高总的脱硝效率。

本发明的有益效果：

(1)本申请通过在分解炉及c5旋风筒分别设置氨水喷射系统，两路氨水单独计量分配，首先控制分解炉的喷氨量使之满足排放口的氨氮浓度要求，当分解炉的喷氨量达到最大值而出口烟气的氨氮浓度仍不满足环保要求时启动c5旋风筒的喷射系统，通过二次喷氨使之与烟气中的nox进一步化合，将其还原成氮气和水，出口烟气的氨氮浓度稳定控制在100mg/nm3以内，满足环保要求。

(2)本申请通过采用环形高效喷枪群，每只喷枪斜向插入，喷枪的有效喷射距离超过3米，喷枪雾冠对烟道的覆盖面更高。且多支斜喷喷枪的配合使用，还可以产生一定的旋流作用，使喷射系统的有效覆盖面更高，从而提高脱硝效率，减少氨逃逸量，降低脱硝运行成本和对除尘及余热发电设备的影响，减少相关设备备件的消耗量。

附图说明

图1是本发明干法水泥回转窑的脱硝系统的实施方式1的主视图，图中省略了还原剂输送模块及计量分配模块。

图2是图1的侧视图。

图3是本发明干法水泥回转窑的脱硝系统的实施方式1的混合喷射模块的结构示意图。

图4是本发明干法水泥回转窑的脱硝系统的实施方式1的混合喷射模块的的脱硝喷枪的结构示意图。

图5是本发明干法水泥回转窑的脱硝系统的实施方式1的分解炉环形脱硝喷枪群的布置示意图。

图6是图5所示脱硝喷枪群形成的雾场效果模拟示意图，a为喷射盲区，b为流场覆盖区域，c为喷雾重叠区域。

图7是本发明干法水泥回转窑的脱硝系统的实施方式1的脱硝喷枪的安装示意图。

图8是本发明干法水泥回转窑的脱硝系统控制方法的实施方式2的控制流程示意图。

图9及图10是本发明干法水泥回转窑的脱硝系统控制方法的实施方式2的控制原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及一种优选的实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施方式1

参阅图1及图2，一种干法水泥回转窑的脱硝系统，该回转窑包括分解炉01及c5旋风筒02，分解炉01的出口与c5旋风筒02的进口连接，烟气最后经c5旋风筒02的出口排出，c5旋风筒02的出口处设置在线氨氮浓度检测仪。分解炉01的炉膛直径为5000mm，c5旋风筒02的直径为6000mm，回转窑的产能为2000吨/天。

该脱硝系统包括原剂输送模块、计量分配模块及两组混合喷射模块，第一组混合喷射模块设于水泥回转窑分解炉01的中上部，如图1所示a区；第二组混合喷射模块设于c5旋风筒02的进风口处，如图1所示b区。还包括plc控制系统及设置在烟气排放口的氨氮浓度检测仪。a区的运行温度为850～1050℃，b区的运行温度为850～1050℃。

在本实施中，脱硝系统所用还原剂为氨水。两组混合喷射模块分别用于向分解炉及c5旋风筒中喷射氨水。每组混合喷射模块均包括环形脱硝喷枪群及依次围绕在环形脱硝喷枪群外周的压缩空气环管2、氨水环管3及清洗水环管4。

在本实施例中，每个环形脱硝喷枪群均包括四支脱硝喷枪1，脱硝喷枪1采用西普环保的pq-02型双流体喷枪，喷枪的雾化压力为0.5～0.8mpa，雾化颗粒为20～80um，喷枪达到的有效喷射距离为3米。

脱硝喷枪1的结构请参阅图4，脱硝喷枪的中心部轴向设有氨水通道107，氨水通道107的后端设有与氨水通道107轴向相通的清洗水进口103，清洗水进口103运行时由堵头105封闭；还设有与氨水通道107经向相通的氨水进口101。氨水通道107的前端连接氨水喷头108。氨水通道107的外侧设有压缩空气通道106，压缩空气通道106的后端设有与压缩空气通道106经向相通的压缩空气进口102，压缩空气通道106的前端设有雾化喷口104，从氨水喷头108的喷口喷出的氨水经压缩空气雾化后从雾化喷口104中喷出。

环形脱硝喷枪群的设置请参阅图5，图5为设置在分解炉01上的环形脱硝喷枪群，设置在旋风筒上的环形脱硝喷枪群与分解炉的相同。四支脱硝喷枪1分别穿过防护套5沿分解炉及c5旋风筒的径向插入，其端面不超过的分解炉及旋风筒的内壁炉内壁，每支喷枪的喷射中心线与分解炉及c5旋风筒的径向线的夹角α为15°，四支脱硝喷枪1在分解炉及c5旋风筒的周向均匀分布。防护套为耐高温套管，预先通过焊接的方式设置在分解炉及c5旋风筒的侧壁上。

在其他实施中，可根据不同生产量的水泥回转窑设置不同数量的喷枪，实现还原剂最大程度地覆盖烟道，保证脱硝效果。

分解炉的环形脱硝喷枪群形成的雾场效果模拟示意图参见图6，a为喷射盲区，b为流场覆盖区域，c为喷雾重叠区域。从图6可见，倾斜设置的喷枪雾冠对分解炉烟道的覆盖面更高，喷射盲区更小。

混合喷射模块的安装请参阅3，图3为设置在分解炉01上的混合喷射模块，设置在旋风筒上的混合模块与分解炉的相同。压缩空气环管2通过支管与每支脱硝喷枪的压缩空气进口102连接，压缩空气管网或空压机通过管道与压缩空气环管2连通，压缩空气管网或空压机为喷枪提供喷射动力源。氨水环管3通过支管与每支脱硝喷枪的氨水进口101连接，氨水环管3通过管道与流量分配模块连接，为脱硝喷枪提供氨水。清洗水环管3通过支管与每支脱硝喷枪的清洗水进口103连接，清洗水管网通过管道与清洗水环管3连接，为脱硝喷枪提供清洁水源清洗喷枪。

脱硝喷枪检修平台的安装请参阅图7，在距离脱硝喷枪安装高度为1.3～1.5米的下方设置钢平台及护栏，方便氨喷射系统的安全操作及检修。

在本实施中，原剂输送模块包括氨水输送泵及输送管路，氨水输送泵可设有一台或多台，输送泵的进口通过管道与氨水储罐连接，氨水由专用罐车运输，经卸氨泵转移到氨水储罐内。输送泵的出口通过管道与分配计量模块的进口连通，泵出口配有压力表，实时监测泵压，同时安装压力传感器，压力传感器及输送泵与plc控制系统电连接，压力传感器向plc控制系统提供实时压力信号，整个泵站可以实现就地及远程控制。

在本实施中，计量分配模块包括流量计、压力变送器、流量调节阀及分支管路；所述分支管路的总进口与氨水输送泵的出口连接，各分支管路的出口分别与两混合喷射模块的氨水环管3连接。各分支管路的出口依次设有流量调节阀、流量计及压力变送器，流量调节阀用于调节进入各环形喷枪群的还原剂的流量大小，流量计用于计量流量，压力变送器用于检测进入各环形喷枪群的氨水喷射压力。流量计、压力变送器及流量调节与plc控制系统电连接。

实施方式2

一种如实施方式1所述脱硝系统的控制方法，包括以下步骤：

2.1、首先设定分解炉和c5旋风筒内喷入的还原剂分配比例；设定烟气出口的nox排放浓度；在本实施中，设定分解炉与c5旋风筒还原剂的用量比为5:1，烟气出口nox排放浓度为90mg/nm³。

2.2、plc控制系统实时比较在线检测的nox实时值与设定值，计算两者差值的绝对值a；设定差值绝对值a的上限值与下限值；在本实施例中，假定差值绝对值a的上限值为5mg/nm³，下限值为1mg/nm³；

2.3、plc控制系统按设定的比例分别向分解炉及c5旋风筒供应还原剂。当nox实时值超过设定值且差值绝对值a达到5mg/nm³，即nox实时值在95mg/nm³时；或nox实时值没有超过设定值但有上升趋势时即差值绝对值a越来越大时；plc控制系统首先控制计量分配模块中供应分解炉的分支管路上流量调节阀加大开度，增加分解炉内还原剂的输入量，增加量与差值绝对值a线性相关，差值绝对值a越大，增加量越大；当分解炉内还原剂增加到一定量后，出口nox浓度下降，差值绝对值a减小，当差值绝对值a减小到1mg/nm³时，维持当前还原剂输入量；如分解炉内还原剂增加到最大量后，出口nox浓度仍达不到要求，plc控制系统控制计量分配模块中供应c5旋风筒的分支管路上流量调节阀加大开度，增加c5旋风筒内还原剂输入量，增加量与差值绝对值a线性相关，差值绝对值a越大，增加量越大；当c5旋风筒内还原剂增加到一定量后，出口nox浓度下降，当差值绝对值a减小到1mg/nm³时维持当前还原剂输入量；

2.4、当nox实时值低于设定值且达到上限5mg/nm³时，plc控制系统首先控制c5旋风筒的分支管路的流量调节阀减小开度，减少旋风筒内还原剂输入量，减少量与差值绝对值a线性相关，差值绝对值a越大，减少量越大；当旋风筒内还原剂减少到一定量后，出口nox浓度上升，差值绝对值a减小，当差值绝对值a减小到1mg/nm³时时维持当前还原剂输入量，设定维持时间为10分钟，如果在10分钟内nox实时值一直低于设定值时，plc控制系统关闭c5旋风筒的分支管路上流量调节阀，停止向c5旋风筒供应还原剂；同时控制分解炉的分支管路上流量调节阀减小开度，减少分解炉内还原剂输入量，减少量与差值绝对值a线性相关，差值绝对值a越大，减少量越大；当分解炉还原剂减少到一定量后，出口nox浓度上升，差值绝对值a减小，当差值绝对值a减小到1mg/nm³时维持当前还原剂输入量；

2.5、设定维持时间为15分钟，在15分钟内nox实时值一直低于设定值时，再次下调分解炉还原剂输入量，进一步降低还原剂输入量。

脱硝系统采用实施方式2的控制方法运行，连续180小时监控其运行过程，脱硝系统正常运行时nox的排放指标可以稳定在100mg/nm³以下；nox的排放浓度的波动量不超过±15mg/nm³；氨水消耗量约5公斤/吨熟料水泥。

以上说明书中未做特别说明的部分均为现有技术，或者通过现有技术既能实现。