選擇性催化還原SCR法煙氣脫硝技術（六）

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

選擇性催化還原SCR法煙氣脫硝技術（六）

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

（上接2016年5期）

6.2 國內(nèi)應用實例

6.2.1 SCR法脫硝系統(tǒng)的試驗

SCR法脫硝最突出的優(yōu)勢是脫硝效率高，如果要求NOx的排放濃度低于200 mg/Nm3，甚至達到100 mg/ Nm3左右，從目前煙氣脫硝技術的發(fā)展水平看，非它莫屬。但是，這種脫硝最大的缺點是投資大，運行費用高，有的資料顯示比SNCR法脫硝高出幾倍。這對于我國低利潤的水泥工業(yè)來說，確實是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。也許這就是我國到目前為止僅有一套SCR法脫硝系統(tǒng)在水泥窯爐煙氣脫硝工程中應用的最重要原因。另外，采用SNCR法脫硝技術或者以SNCR法與其他脫硝方法的聯(lián)合脫硝就能滿足我國新標準對NOx排放的限值要求也是一個原因。試想，如果采用SCR法的經(jīng)濟性不高于SNCR法脫硝技術，還有哪個企業(yè)不愿采用？不論建設投資還是運行費用都貴在催化劑上，隨著低溫催化劑的研發(fā)進展，一旦取得成功，不僅可以降低SCR法脫硝系統(tǒng)的建設投資，還可以降低運行費用。隨著我國對大氣污染控制的要求會越來越嚴格，為適應這種情況，我國在北京某水泥廠進行了SCR法脫硝技術在水泥窯爐脫硝的試驗，現(xiàn)對試驗情況進行介紹。

6.2.1.1 試驗方法

試驗是利用北京某水泥廠一條帶純低溫余熱發(fā)電的預分解窯水泥生產(chǎn)線回轉窯排出的廢氣進行，該生產(chǎn)線的生料磨為輥式磨。在窯尾收塵器后排風機和煙囪之間的管道上鉆孔引風，檢測廢氣中NOx濃度作為初始濃度。將引入的窯尾煙氣通入到電加熱器1中。經(jīng)加熱后的廢氣通入裝有催化劑的催化塔或稱反應器2中，通過排風機3將反應后的廢氣排入煙囪4后排出。在排風機3的排氣管道上安裝NOx濃度檢測儀5，用于還原的氨氣利用氨氣儲罐6儲存，通過輸氨氣管路7將氨氣輸送到引入的窯尾廢氣管道內(nèi)，與廢氣一起進入電加熱器1中，與廢氣一起加熱。為了調(diào)節(jié)和計量氨氣的用量，在氨氣儲罐6的輸出管路上安裝氨氣流量計8。在氨氣進入廢氣管道的兩側、電加熱器1與催化塔2之間和催化塔2出口與排風機3之間均安裝有控制蝶閥9。水泥生產(chǎn)線和SCR法脫硝的試驗系統(tǒng)流程如圖42所示。

圖42 水泥生產(chǎn)線和SCR法脫硝試驗系統(tǒng)流程圖

6.2.1.2 催化塔

催化塔也稱為反應器，采用SCR法脫硝時這是一個最重要的裝置，在催化塔內(nèi)安裝不同的催化劑。本次試驗采用北京某大學研制的TiO2為載體的金屬氧化物低溫催化劑，以氨氣為還原劑。低溫催化劑主要成分為80%的TiO2和20%的其他金屬氧化物。催化劑為蜂窩式，單體尺寸為150 mm× 150 mm×800 mm，截面孔數(shù)為900孔，單個孔徑為3.8 mm。將18塊催化劑在塔內(nèi)碼成2層，總體積為0.324 m3。催化塔設計的空速SV≈3 800 h-1。

6.2.1.3 氣體測定

氣體組分的測定采用Nicolet Nexus 670型Fourier變換紅外光譜儀（FTIR）進行，能夠精確地測定出NOx在煙氣中的含量。

6.2.1.4 試驗結果與討論

（1）理論噴氨量計算。

閥門全開時所取煙氣氣流量為1 250 Nm3/h，溫度為120 ℃，初始NOx濃度為503 mg/Nm3，計劃控制催化塔出口NOx濃度為100 mg/Nm3，氧氣體積濃度約為10%。為防止氨逃逸，取氨氮適宜當量比NSR＝0.9。按照《中國華能集團公司企業(yè)標準——火電工程設計導則——第2部分第3分冊——煙氣脫硫脫氮（2007.06版）》計算的理論噴氨量為0.136 kg/h，折合為每分鐘的標準升為2.99 SL/min，試驗中實際采用的噴氨量為3.00 SL/min。

（2） 溫度對脫硝效率的影響。

調(diào)節(jié)電加熱器，將溫度設定為130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃和170 ℃五種，保持氨氣流量為3.00 SL/min，測定不同溫度下催化塔出口的NOx濃度并計算出相應的脫硝效率η。溫度對催化劑脫硝效率的影響如圖43所示。

圖43 溫度對脫硝效率η的影響

由圖43可以看出，溫度是影響脫硝效率η的一個很重要因素。Furusawa等人研究發(fā)現(xiàn)，溫度也會影響NO的選擇性。當反應溫度升高時，NO的選擇性增大。當煙氣溫度為130 ℃時，NOx濃度從初始的503 mg/ Nm3降為307 mg/ Nm3，脫硝效率為42%。當煙氣溫度為170 ℃時，NOx的濃度僅為57.5 mg/ Nm3，脫硝效率達到89%以上。顯然，在相同煙氣量和噴氨量下，催化劑的脫硝效率隨反應溫度的升高而顯著增高。

（3）氨氮適宜當量比NSR對脫硝效率的影響。

在試驗溫度為130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃和170 ℃下，設定噴氨氣流量分別為0.50 SL/min、1.00 SL/min、1.50 SL/min、2.00 SL/min、3.00 SL/min和4.00 SL/min時，測定催化塔排氣口NOx的濃度并計算相應的脫硝效率，將結果繪于圖44。由此可見，隨著氨氣量的逐漸增加，脫硝效率也逐漸增大，即在相同溫度下，催化劑的脫硝效率隨著氨氣流量的增多而顯著提高。當氨氣過量噴入為4.00 SL/min時，隨著煙氣溫度從130 ℃升至170 ℃，催化劑的最大脫硝效率變化規(guī)律與沒有過量噴入時基本相同。當煙氣溫度為170 ℃，噴入氨氣流量為4.00 SL/min時，催化劑的最大脫硝效率為89.45%，與噴入氨氣流量為3.00 SL/min時相同?？梢?，過大的噴入氨氣量只能提高運行成本，對脫硝效率毫無意義。

圖44 氨氣量對脫硝效率的影響

（4） 連續(xù)運行的可靠性試驗。

保持煙氣流量為1 250 Nm3/h，氨氣流量為3.00 SL/min，煙氣溫度控制在160 ℃，連續(xù)試驗運行20 h以上，每隔1 h測定催化塔出口NOx濃度并計算出相應的脫硝效率。20 h內(nèi)催化劑的脫硝效率在80%～81%之間波動，平均為80.29%，如圖45所示。

圖45 連續(xù)運行脫硝效率穩(wěn)定性的試驗

由圖45可以看出，脫硝效率基本保持在80.5%，波動為±0.5%，表明這種低溫催化劑的運行是相當平穩(wěn)的。

（5）粉塵對催化劑的影響。

經(jīng)過5個月的試驗運行后，拆下催化劑載體，觀察粉塵對催化劑的影響。由圖46可以看出，粉塵在孔道上稍有附著卻沒有堵塞情況。表明SCR法脫硝系統(tǒng)安裝在窯尾收塵器之后完全可以長期安全使用。易言之，SCR法脫硝系統(tǒng)在低塵條件下使用是相當安全的。

6.2.1.5 實驗結論

通過這次試驗，掌握了有關低溫SCR法脫硝的許多規(guī)律。雖然不是真正的工程應用，但是可為將來滿足更嚴格水泥窯爐NOx排放標準提供一種途徑，為工程設計提供一些有益的數(shù)據(jù)。通過試驗可以得出以下結論。

圖46 粉塵在催化劑孔道上的附著形貌

（1）試驗證明，SCR法脫硝效率確實在當前情況下是最高的。

（2）在采用氨氮適宜當量比NSR＝0.9，計算的理論噴氨量為2.99 SL/min。試驗中實際采用的噴氨量為3.00 SL/min，與理論值相差0.3%，十分微小，其脫硝效率就高達80.3%。表明在實際脫硝工程中，準確計算噴氨量是非常重要的。

（3）在相同煙氣溫度下，低溫催化劑的脫硝效率隨氨氣量的增加而顯著增高；在相同噴氨量的前提下，催化劑的脫硝效率隨著溫度升高而顯著增高。

（4）噴入過量氨氣時，催化劑的最大脫硝效率隨溫度升高的變化規(guī)律與氨氣沒有過量噴入時基本相同。當反應溫度為170 ℃、氨氣流量為4.00 SL/min時，最大的脫硝效率僅為89.45%。

（5）連續(xù)運行20 h，檢測表明脫硝效率在80%以上，波動為±0.5%，運行相當穩(wěn)定。

（6）催化劑經(jīng)5個月的使用，其孔道沒有堵塞，可見這種低溫催化劑在水泥廠窯尾袋收塵之后是可以長期使用的。

6.2.2 北京金隅水泥窯爐SCR法低溫脫硝示范線

我國于2014年3月1日正式實施的GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》規(guī)定：自2014年3月1起，新建企業(yè)執(zhí)行GB4915-2013標準規(guī)定的大氣污染物排放限值，其中對水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)的氮氧化物NOx排放限值為400 mg/Nm3，重點地區(qū)為320 mg Nm3；自2015年7月1日起，現(xiàn)有企業(yè)執(zhí)行上述氮氧化物NOx的限制。為貫徹落實這個新標準對氮氧化物的限值要求，全國的1 841條預分解窯在設計能力2 000 t/d熟料以上的水泥窯爐基本上都建設了選擇性非催化還原SNCR法的脫硝系統(tǒng)。采用這種脫硝系統(tǒng)，對氮氧化物的排放都能滿足新標準的限值要求。所以，我國水泥工業(yè)還沒有一家采用選擇性催化還原的SCR法脫硝技術。因為SCR法脫硝系統(tǒng)雖然脫硝效率更高，但投資更大，占地大，系統(tǒng)更復雜，運行費用更高等，對低利潤的水泥企業(yè)經(jīng)濟壓力更大。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對環(huán)境質量的要求愈來愈高。如北京市就制定了新標準，規(guī)定在2016年1月1日起執(zhí)行水泥生產(chǎn)企業(yè)氮氧化物排放不得高于200 mg/Nm3的限值。這樣，采用SNCR法脫硝系統(tǒng)或者采用SNCR法與任何分級燃燒技術的聯(lián)合脫硝法都是無能為力的，只有采用脫硝效率更高的SCR法脫硝系統(tǒng)才能滿足氮氧化物NOx排放的限值要求。為此，北京金隅集團為了貫徹北京市新標準的限值要求，率先在水泥窯爐上建設了一套低溫SCR法的脫硝系統(tǒng)，并獲得了成功。

6.2.2.1 低溫催化劑的研發(fā)

催化劑是SCR法脫硝系統(tǒng)的核心元件，其性能的優(yōu)劣決定著整個SCR法脫硝系統(tǒng)的性能。催化劑在理論上按適應溫度可以分為三種類型，即高溫催化劑、中溫催化劑和低溫催化劑，參見表5～6。其中低溫催化劑的研制難度最大?？墒俏覈斀竦念A分解窯窯尾C1筒出口煙氣溫度都在300～360℃之間，同時在2 500 t/d熟料的水泥生產(chǎn)線又都采用純低溫余熱發(fā)電，排出的廢氣溫度都在150 ℃左右。顯然采用低溫低塵布置方案是最經(jīng)濟適用的，可是就必須有能夠適應150 ℃左右煙氣溫度的催化劑。當前廣泛使用的催化劑基本都是以TiO2為載體和表面敷以V2O5及WO3等為活性物質的蜂窩式催化劑，適用溫度在280～400 ℃之間，很明顯不能滿足150℃低溫要求。要實現(xiàn)在150 ℃左右低溫煙氣條件下SCR法脫硝效率達到80%以上，就必須研制一種低溫催化劑。為此，中能國信（北京）科技發(fā)展有限公司與清華大學材料學院合作，歷時三年共同研發(fā)能夠適應150 ℃煙氣SCR法脫硝工程應用的低溫催化劑并取得成功。

6.2.2.2 早期的SCR法脫硝試驗

圖47所示是北京金隅紅樹林環(huán)保技術有限責任公司SCR法脫硝試驗裝置，試驗用水泥窯尾預熱器C1筒出口的粉塵濃度為80～100 g/Nm3，煙氣溫度≥120 ℃。試驗結果，氮氧化物NOx的排放濃度＜150 mg/Nm3。

圖47 SCR法脫硝試驗裝置

6.2.2.3 SCR法脫硝工程示范線

北京金隅集團楊樹林環(huán)保技術有限責任公司與中能國信（北京）科技發(fā)展有限公司合作，于2014年7月開始在一條煙氣量為200 000 Nm3/h的水泥窯爐上實施了SCR法脫硝系統(tǒng)工程的建設和摸索試驗。經(jīng)過8個月的調(diào)試和運行，這套SCR法低溫脫硝系統(tǒng)一直都很穩(wěn)定。當煙氣溫度為130 ℃時，脫硝系統(tǒng)的平均脫硝效率達到30%以上；當煙氣溫度在150 ℃時，平均脫硝效率達到50%的水平；當煙氣溫度在170 ℃時，最高的脫硝效率則達到了90%，平均脫硝效率為80%。經(jīng)測算，這條水泥生產(chǎn)線水泥窯爐窯尾煙囪氮氧化物NOx的排放和氨逃逸都可滿足北京市2016年新標準的要求，分別在200 mg/Nm3和5 mg/Nm3以下。這套SCR法脫硝系統(tǒng)的催化劑能夠滿足在130～380 ℃煙氣溫度范圍的條件下達到氮氧化物NOx減排的目標值。這套SCR法低溫脫硝系統(tǒng)經(jīng)受了水泥窯爐各種工況下的考驗，在脫硝達標的同時，還可降低氨水的消耗，進一步降低系統(tǒng)的運行費用。因而，這條水泥生產(chǎn)線成為我國首條水泥窯爐采用SCR法低溫脫硝的示范線，為有特殊要求的氮氧化物減排水泥企業(yè)開辟了一種脫硝的新途徑。

6.2.3 蘇州東吳2 500 t/d熟料線SCR法脫硝中試線

蘇州東吳水泥有限公司在SNCR法脫硝系統(tǒng)的基礎上又建設了SCR法脫硝系統(tǒng)，構成了SNCR＋SCR的聯(lián)合脫硝法。這條窯爐的處理工況風量為468 000 m3/h，折合成標況風量約為200 000 Nm3/h。據(jù)此進行中試的SCR法脫硝系統(tǒng)，采用高塵布置方式，催化塔中的催化劑床層采用5層，每個催化劑模塊尺寸為1 026 mm×1 930 mm，總體積為17.01 m3。如果進口的NOx濃度為800 mg/Nm3時，根據(jù)理論計算，出口的NOx濃度約為150 mg/Nm3，脫硝效率達到81.25%。當采用SNCR＋SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)運行時，其脫硝效率可達90%以上。這就是說，NOx的出口濃度可降到100 mg/Nm3以下，可以達到任何脫硝標準嚴格限值的要求。

這套SNCR＋SCR中試聯(lián)合脫硝系統(tǒng)之SCR法脫硝的催化塔和塔架示于圖48，催化塔架為18 m高，共分五個床層。

圖48 蘇州東吳SCR法脫硝裝置

7 結束語

為了適應我國水泥窯爐采用SCR法脫硝技術的需求，助推這項脫硝技術在我國水泥窯爐上應用的盡快成熟，筆者借用《新世紀水泥導報》論述了SCR法脫硝技術，并以案例進行說明。

綜上所述，在國內(nèi)外對水泥工業(yè)氮氧化物NOx排放濃度的要求愈來愈嚴格情勢下，僅采用SNCR法脫硝系統(tǒng)是不能滿足要求的，必須采用脫硝效率更高的SCR法脫硝技術才能達標?？梢哉雇?，隨著投資成本的降低，我國水泥工業(yè)中采用SCR法脫硝系統(tǒng)的水泥生產(chǎn)線會越來越多。 （全文完）

2015-12-10）

TQ172.622.4

B

1008-0473(2016)06-0013-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.005