5000_t_d水泥熟料生...能化精准脱硝系统开发与应用_王柠.pdf

2023年第1期中图分类号：TQ172.6文献标志码：B文章编号：1007-0389（2023）01-36-04【DOI】10.13697/ki.32-1449/tu.2023.01.0115 000 t/d水泥熟料生产线智能化精准脱硝系统开发与应用王柠1，刘鹏飞2，李阁男2（1.唐山冀东水泥三友有限公司；河北 唐山 063100；2.北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100041）摘要：唐山冀东水泥三友有限公司5 000 t/d 水泥熟料生产线配有非催化还原脱硝系统（SNCR）系统实际可以控制NOx浓度在50 mg/m3以下，但存在氨水用量偏高，氨水用量波动较大，氨逃逸数值不稳定等问题。为此，公司对#2水泥熟料生产线现有的SNCR脱硝系统进行了优化升级改造，采用智能化精准脱硝技术，实现NOx和氨水用量同时降低。关键词：脱硝系统；NOx浓度；氨水；氨逃逸Development and application of intelligent precise denitration system for 5 000 t/d cement clinker production lineWang Ning1,Liu Pengfei2,Li Genan2(1.Tangshan Jidong Cement Sanyou Co.,Ltd.,Tangshan,063100,China)Abstract:The 5000 t/d cement clinker production line of Tangshan Jidong Cement Sanyou Co.,Ltd.is equipped with a non catalytic reduction denitration system(SNCR),which can actually control the NOxconcentration below 50 mg/m3,but there are problems such ashigh ammonia consumption,large fluctuation of ammonia consumption,and unstable ammonia escape value.For this reason,the company has optimized and upgraded the existing SNCR denitration system of the#2 cement clinker production line,and adopted intelligentand precise denitration technology to reduce the consumption of NOxand ammonia at the same time.Key words:denitration system;NOxconcentration;ammonia;ammonia escape0前言2019 年政府工作报告指出加强污染防治和生态建设，大力推动绿色发展。绿色发展是构建现代化经济体系的必然要求，是解决污染问题的根本之策。要改革完善相关制度，协同推动高质量发展与生态环境保护，持续推进污染防治，当年二氧化硫、氮氧化物排放量要下降3%。水泥行业是我国重点污染行业之一，颗粒物排放占全国总排放量的 20%30%，二氧化硫排放占全国总排放量的 5%6%。全国水泥行业年排放量氮氧化物约 200 万 t，占全国氮氧化物排放量 10%左右，居火力发电和汽车尾气排放之后的第三位。随着“十三五”期间我国对氮氧化物实施总量控制，水泥行业提高排放控制要求成为大势所趋。近年来国家相关环保政策日渐收紧，唐山冀东水泥三友有限公司所在的河北省唐山市大气污染防治工作水泥企业氮氧化物被政府列为重要因素，政府要求唐山地区水泥企业主动作为，先行先试，积极执行超低排放标准，水泥窑NOx超低排放浓度（标况下）控制在50 mg/m3以内。1存在的问题唐山冀东水泥三友有限公司5 000 t/d 水泥熟料生产线配有非催化还原脱硝系统（SNCR）系统，目前满足河北省地方标准排放限值规定将“NOx排放浓度控制在100mg/m3以下”的要求，公司实际可以控制NOx浓度在50mg/m3以下，但存在一定的问题：氨水用量偏高，投料量在410 t/d左右时，氨水用量为0.951.05m3/h左右；氨水用量不稳定，波动较大，2021年912月氨水用量为1.21.4m3/h；氨逃逸数值不稳定。该5 000 t/d生产线既有技术装备条件下NOx排放浓度进一步降低空间有限，为了及时适应地方环保政策，提高系统脱硝效率，降低氮氧化物和氨水用量，降低脱硝成本和氨逃逸风险，对该线非催化还原脱硝系统进行智能高效技改十分必要。为此，我公司对#2水泥熟料生产线现有的SNCR脱硝系统进行了优化升级改造，采用智能化精准脱硝技术，实现NOx和氨水用量同时降低。2改造目标和内容2.1设计基准5 000 t/d水泥熟料生产线烟气的成分见表1，产量及氨水耗量见表2。改造的目标是：窑尾烟囱氮氧化物45 mg/m3，氨水用量降低10%15%。2.2技术路线与工作内容主要工作内容见图1。（1）对分解炉系统进行CFD模拟研究，掌握内部流场分布及O2、NOx、CO等关键组分的分布规律；生产技术王 柠，等：5 000 t/d水泥熟料生产线智能化精准脱硝系统开发与应用-362023年第1期（2）根据模拟研究和现场检测结果对现有SNCR脱硝系统进行改造，优化喷枪最佳安装位置；（3）开发高精度双流体氨水喷枪；（4）新增氨水和压缩空气精准分配模块，实现喷枪单独/分组精准控制；（5）开发基于预测模型和工业大数据的精准控制系统，动态调整喷氨位置和氨水流量，实现高效脱硝，降低氨水用量，减少氨逃逸。图1技术路线图3技术方案3.1CFD流场模拟研究本次模拟对象为分解炉+C4旋风筒，分析装置内的速度、温度、压力、氮氧化物、氧含量分布情况，获取喷枪的最佳布置方案，包括布置位置和数量等。通过对分解炉和旋风筒内的速度、温度、NO、O2的分布进行数值模拟计算与分析，得到以下结论：分解炉内存在偏流，流场相对均匀处分布在鹅颈管缩颈前后、分解炉尾部进C4旋风筒前截面及旋风筒上升烟道处；温度在分解炉中下部存在明显的分布不均，局部截面南北侧温度相差50，分解炉尾部及旋风筒中心温度略高于四周；各截面的NO的分布不均匀，C4 旋风 A、B 筒的 NO 浓度相差近 3010-6。建议喷枪位置分三个位置布置，分解炉尾部进 C4 旋风筒前，分配 8 支喷枪，沿截面均布，采用90扇形、0双流体高效雾化喷枪；C4旋风筒直筒段靠中心位置（36.98 m 平台向上 1.1001.4 m 截面处），A、B筒各分配5支喷枪，沿截面均布，采用90扇形、双流体高效雾化喷枪（此处建议选取1.52 m长喷枪）。3.2工艺设计本工程在SNCR喷枪安装区域设置烟气测温计和控制系统，组成分解炉烟温测量系统和多模块的计量分配系统。通过不同断面、点位测量烟气的温度，分解炉内横截面被分成不同的温度区域。根据各点位测量的烟气温度，计算得出该区域平均烟温，并被记录下来提供给控制系统。SNCR系统将会根据温度来控制喷枪组的投运或停运，使还原剂能够精准的喷射在分解炉最佳温度区域。同时根据分解炉内烟气温度的高低，预测NOx浓度的大小，可提前预判增大或减小氨水的使用量。通过分解炉及C1旋风筒出口的NOx分析信号、分解炉内烟气温度信号等对还原剂的用量及喷枪的投用情况进行控制。可单独控制单个模块喷枪还原剂流量。模块的投入根据烟气测温计所测得分解炉截面烟气温度来选择，喷枪的还原剂喷入量高低将随所在反应区域内烟气温度的高低变化而变化，若烟气温度不适合脱硝反应，将关闭喷枪。通过以上措施，喷枪被分在不同的模块内，模块内喷枪的还原剂喷射量、喷射效果以及是否投运都可随熟料产量、分解炉内烟气温度、NOx分析信号等进行在线单独调节，这保证喷枪在最佳位置喷入还原剂并发生化学反应，并发挥最大效率。将3个喷射区共18支喷枪分为10组，每组喷枪均配有流量计，调节阀、远传压力表。并在主控系统界面实时显示，可以实时查看所有喷枪的运行情况，如喷枪堵塞或故障可以第一时间发现并处理，大幅降低了脱硝故障处理的难度，保证环保数据达标。调试时根据各喷射点温度、NOx浓度的不同，手动调节单支喷枪的手动阀门开度，调试后单支喷枪手动调节阀开度不再变化。通过调整氨水供应泵表1烟气成分烟室O2/%1.82CO/（10-6）223NOx/（mgm-3）1 963分解炉出口O2/%3.23.8CO/（10-6）5 00060 000NOx/（mgm-3）943C1出口O2/%3.09CO/（10-6）1208NOx/（mgm-3）65烟囱（开磨）O2/%8.05NOx/（mgm-3）46表2产量及氨水耗量序号1生产线名称唐山三友#2线投料量(th-1)415烟囱NOx（mgm-3）50氨水量（m3h-1）0.951.05，平均1.0吨熟料耗量（kgt-1）3.363.72备注两台立磨生产技术王 柠，等：5 000 t/d水泥熟料生产线智能化精准脱硝系统开发与应用-372023年第1期的频率和每组氨水流量调节阀的开度来控制喷入的氨水量。通过调试确定最佳喷枪数量及位置。3.3自动化控制3.3.1控制系统总体实施方案控制系统接入方式简单易行，该接入方式不需要改变原有的工控以太网中的过程控制程序，只需要在工控以太网中通过防火墙隔离接入一台计算机，在原DCS系统的OPC通信接口开放的基础上，通过OPC技术读取DCS系统的数据即可，控制系统的安装、调试都在该计算机中完成，并且该控制系统独立于DCS系统，不会对原有DCS系统带来任何影响，实施方式安全易行。精准脱硝系统具备以下特点：（1）预测控制优化模块。采用机器学习方法在效率最高的地方喷氨水；每个喷枪的氨水和压缩空气分别控制，将雾滴尺寸调节至特定需求；各控制器模型自适应、自学习，自动适应工况变化；脱硝系统分层独立优化控制，适应煤种及工况变化，始终保持脱硝系统高效运行；先进过程控制+实时优化。（2）精准控制模块系统。每组喷枪均配有流量计或流量开关，并在主控系统界面实时显示，可以实时查看所有喷枪的运行情况，如喷枪堵塞或故障可以第一时间发现并处理，大幅降低了脱硝故障处理的难度，保证环保数据达标；系统有多个喷射区，每个喷射区入口均有温度检测，可以实时读取喷射区温度，根据不同喷射区温度情况自动调节各区喷量，达到NOx排放和氨水喷量的最佳平衡；在多年的脱硝系统开发和运行工作中发现，脱硝系统因为设备分布分散，数量大，专业性强。所以设备出现故障时，要及时检测到故障并加以解决往往费时费力，还可能造成 NOx排放值长时间超标，给企业带来巨大环保压力。为解决这一问题，我们的系统增加了自诊断系统，可以实时诊断并显示诸如喷枪堵塞、水泵故障、管路堵塞、压缩空气压力不足、传感器损坏等一系列故障，故障显示后，点击故障可自动弹出故障处理办法，指导运行人员处理故障，大大减少了故障诊断和处理时间。（3）友好人机界面。本小时内NOx折算平均值实时显示在电脑主界面上，运行人员可以实时监控本小时内到NOx折算平均值的变化情况，做到心中有底，即使遇到窑况剧烈波动，也能及时发现问题，切换到人工操作进行处理。3.3.2控制器设计方案通过观察窑电流、分解炉温度等窑系统生产参数；分解炉 O2、CO、NOx含量等分析仪参数；喷枪安装位置温度、压力等参数，实现综合分析判断窑内燃烧状况及 NOx生成状况的一种估计分析方法，此功能是脱硝控制系统用来实现分析及控制NOx以达到预定目标的工具，这些控制功能通过将输入信号以多种方式组合来实现，并将实时计算数值显示在操作员的主操作界面。当选择使用多个信号进行组合时，如果其中某个信号失效，NOx分析估计器将会切换至其它安全有效组合，如果没有其它组合方式可用，那么估计器将会离线并切换至非运行状态。NOx分析估计器结构见图2。图2NOx分析