用于水泥行業(yè)的脫硝除塵一體化技術(shù)與中試研究

唐飛翔 廖達(dá)琛 鄭俊杰 葛春亮 沈海濤 胡達(dá)清

浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?/p>

0 引言

水泥工業(yè)氮氧化物排放約占全國(guó)氮氧化物排放量的8%～10%，是我國(guó)繼火電廠、機(jī)動(dòng)車(chē)之后的第三大氮氧化物排放源?！笆濉逼陂g，國(guó)家對(duì)環(huán)保要求進(jìn)一步趨嚴(yán)，對(duì)水泥工業(yè)的大氣污染防治尤其是NOx總量減排提出了更高要求，江蘇、河南、河北等部分地區(qū)已將NOX排放限值降為100mg/Nm3。

目前，水泥窯爐普遍采用的氮氧化物脫除方法為低氮燃燒、SNCR脫硝等技術(shù)[1，2]，脫硝效率一般低于60%，無(wú)法滿(mǎn)足水泥行業(yè)更為嚴(yán)苛的氮氧化物排放指標(biāo)。SCR技術(shù)具有較高的脫除效率，使排放的NOx濃度降到100mg/Nm3以下，是水泥行業(yè)脫硝的發(fā)展趨勢(shì)。與電力行業(yè)相比，由于水泥工業(yè)廢氣的粉塵濃度高、堿金屬含量較多、易使催化劑中毒和堵塞，國(guó)內(nèi)外成熟的SCR脫硝工程實(shí)例較少。

浙江天地環(huán)?？萍加邢薰就ㄟ^(guò)國(guó)內(nèi)外的調(diào)研考察及小型試驗(yàn)，逐步找到了一種適用于水泥工業(yè)的煙氣深度治理的陶瓷濾筒，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了高效SCR脫硝除塵一體化技術(shù)，目前在浙江長(zhǎng)廣水泥廠搭建了水泥脫硝除塵中試平臺(tái)已完成了初步的試驗(yàn)研究，為后續(xù)的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 脫硝除塵一體化技術(shù)

1.1 脫硝除塵一體化反應(yīng)器

在脫硝除塵一體化技術(shù)中，核心部件是一體化反應(yīng)器，該反應(yīng)器與布袋除塵器類(lèi)似，由入口煙道、灰斗、中箱體、高溫陶瓷催化劑濾筒、花板、上箱體、反吹掃系統(tǒng)、出口煙道等組成。一體化反應(yīng)器垂直布置，煙氣豎直向上流動(dòng)。煙氣由底部入口煙道進(jìn)入，煙氣中的煙塵在中箱體內(nèi)被高溫陶瓷催化劑濾筒外表面攔截，氣體穿過(guò)濾筒層時(shí)在催化劑的作用下，煙氣中的NOx與NH3進(jìn)行脫硝反應(yīng)，反應(yīng)后的煙氣經(jīng)由上箱體、出口煙道離開(kāi)。當(dāng)濾筒外表面積灰達(dá)到一定程度時(shí)，反吹掃管道下部的噴嘴對(duì)高溫陶瓷催化劑濾筒噴吹壓縮氣體，通過(guò)高壓氣體吹落濾筒外表面積灰至灰斗中，最后經(jīng)輸灰系統(tǒng)送到指定位置。從而既避免了催化劑與煙塵的直接接觸，極大地降低了催化劑中毒及堵塞現(xiàn)象，同時(shí)又起到脫除NOx的作用。中試平臺(tái)設(shè)計(jì)的一體化反應(yīng)器見(jiàn)圖1。

圖1 脫硝除塵一體化反應(yīng)器

1.2 中試平臺(tái)工藝路線(xiàn)

在水泥工業(yè)中，SCR反應(yīng)器可以有三個(gè)不同的安裝位置，即高溫/高塵、高溫/中塵、低溫/低塵。根據(jù)不同的安裝位置，目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究[3-5]，針對(duì)催化劑的最佳反應(yīng)溫度（280℃～360℃），高效SCR脫硝除塵一體化技術(shù)選擇高溫高塵布置。本中試平臺(tái)從水泥窯尾一級(jí)空氣預(yù)熱器出口煙道引出旁路煙氣用于試驗(yàn)，進(jìn)入中試平臺(tái)一體化反應(yīng)器脫硝除塵處理后的煙氣經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓后返回余熱鍋爐出口煙道。此外，脫硝除塵一體化反應(yīng)器入口煙道設(shè)有增加NOx量的氣瓶，用于提高煙氣中NOX濃度。中試平臺(tái)設(shè)計(jì)的工藝路線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 中試平臺(tái)工藝路線(xiàn)

1.3 高溫陶瓷催化劑濾筒

陶瓷催化劑濾筒由硅酸鋁纖維、無(wú)機(jī)物以及有機(jī)物的混合粘結(jié)劑組成，脫硝催化劑嵌在內(nèi)層。陶瓷纖維組成剛性構(gòu)件，反應(yīng)器內(nèi)部不需要支撐架構(gòu)。濾筒的微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)行一段時(shí)間后的實(shí)物見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 陶瓷催化劑濾筒的微觀結(jié)構(gòu)

圖4 陶瓷催化劑濾筒

1.4 中試平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

中試平臺(tái)通過(guò)在日產(chǎn)2 500t的干法水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)上建立一套具有工程參照意義的試驗(yàn)裝置，驗(yàn)證高效SCR脫硝除塵一體化技術(shù)的可行性，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了準(zhǔn)確獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，中試平臺(tái)入口處設(shè)置了在線(xiàn)測(cè)量的溫度計(jì)、NOx濃度測(cè)試儀、壓力變送器，出口處設(shè)置了在線(xiàn)測(cè)量的流量計(jì)、溫度計(jì)、NOx濃度測(cè)試儀、壓力變送器、煙塵儀等，同時(shí)每隔30秒保存一組數(shù)據(jù)。從2019年4月投運(yùn)至今，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)兩個(gè)月，入口煙氣量基本維持在6 000Nm3/h左右，未出現(xiàn)明顯催化劑堵塞及中毒現(xiàn)象，主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

2.1 出入口NOX濃度變化曲線(xiàn)

水泥廠窯尾煙氣經(jīng)過(guò)SNCR脫硝反應(yīng)后的NOX濃度基本維持在290mg/Nm3左右，經(jīng)過(guò)SCR脫硝除塵一體化反應(yīng)器后，在高溫陶瓷催化劑濾筒的催化作用下，煙氣中的NOX與NH3進(jìn)行了脫硝反應(yīng)，中試平臺(tái)出口NOX濃度穩(wěn)定維持在10mg/Nm3左右，脫硝效率高達(dá)85%～96%，運(yùn)行40h的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 出入口NOX濃度變化曲線(xiàn)

表1 中試平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 出口塵含量變化曲線(xiàn)

中試平臺(tái)入口處未安裝在線(xiàn)測(cè)試的煙塵儀，試驗(yàn)前經(jīng)手動(dòng)離線(xiàn)測(cè)試，含塵量平均為40g/Nm3，經(jīng)過(guò)SCR脫硝除塵一體化反應(yīng)器后，煙氣中的煙塵被濾筒外表面攔截，出口煙氣中的煙塵濃度小于5mg/Nm3，除塵效率高達(dá)99．9%以上，運(yùn)行40h的出口煙塵含量變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 出口煙塵含量變化曲線(xiàn)

2.3 入口NOx高濃度下的變化曲線(xiàn)

為了測(cè)試中試平臺(tái)入口NOX高濃度下的脫除效率，通過(guò)采用NO氣瓶往中試平臺(tái)入口噴入NO氣體，使其濃度維持在550mg/Nm3左右，出口濃度低于50mg/Nm3，脫硝效率高達(dá)90%以上，因考慮NO氣體成本等因素，試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)了半個(gè)小時(shí)左右，之后入口NOX濃度逐漸降低至原始狀態(tài)，連續(xù)運(yùn)行40min的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 出入口NOX濃度變化曲線(xiàn)

3 結(jié)論

（1）通過(guò)中試平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，表明了高效SCR脫硝除塵一體化技術(shù)的可行性，為后續(xù)的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（2）脫硝除塵一體化反應(yīng)器入口NOx濃度高達(dá)500mg/Nm3以上時(shí)，出口的NOx平均濃度小于50mg/Nm3，該裝置具有較高的NOx脫除效率，達(dá)到了火電行業(yè)超低排放的要求。