水泥窯爐SCR煙氣脫硝工藝設(shè)計(jì)

李媛，呂龍，張小龍，李軍民，杜媛

（陜西大秦環(huán)境科技有限公司，西安 710065）

1 引言

近年來，我國(guó)水泥行業(yè)的氮氧化物（NOx）排放量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，繼火電和機(jī)動(dòng)車之后成為第三大NOx排放源。隨著火電行業(yè)脫硝工作大規(guī)模的推廣，國(guó)內(nèi)將推進(jìn)以水泥行業(yè)為主的其他行業(yè)NOx排放控制[1]。

2014年3月《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915—2013）開始實(shí)施，新建水泥窯及窯尾大氣污染物NOx排放限值提高到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下400mg/m3，特別排放限值為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下320mg/m3。對(duì)于火電、鋼鐵行業(yè)，大氣污染排放要求越來越嚴(yán)，行業(yè)內(nèi)已提出“超低”排放的要求并已在各大項(xiàng)目中實(shí)施。2018年7月，陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)公布的《關(guān)中地區(qū)重點(diǎn)行業(yè)大氣污染物排放限值》征求意見稿中明確指出，2015年之后建成的工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)施執(zhí)行NOx排放限值標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下260mg/m3，自2019年10月1日起，所有水泥工業(yè)執(zhí)行NOx排放限值標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下150mg/m3，由此看來，水泥行業(yè)的超低排放勢(shì)在必行[2]。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

水泥行業(yè)回轉(zhuǎn)窯爐的主要燃燒對(duì)象是煤炭，在煤炭燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，煙氣中含有大量的NOx。該SCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要是針對(duì)5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線水泥窯爐尾氣NOx排放濃度達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。

該5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線采用新型干法水泥工藝。回轉(zhuǎn)窯窯尾配套分解爐及五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器。C1級(jí)預(yù)熱器出口安裝有SP爐。現(xiàn)已在分解爐處配套SNCR氨水脫硝工藝，經(jīng)脫硝后的煙氣NOx濃度降至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下400mg/m3（以NO2計(jì)，10%基準(zhǔn)氧），由于環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，現(xiàn)擬進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)煙氣中NOx的治理，要求采用SCR法脫硝后，窯尾出口NOx濃度小于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下50mg/m3（以NO2計(jì)，10%基準(zhǔn)氧），氨逃逸量小于3ppm（2.28mg/m3），SO2/SO3轉(zhuǎn)化率不大于1%。總體脫硝效率不低于87.5%。

采用新式干法工藝制水泥的過程中，生料在預(yù)熱器中得到預(yù)熱，熱煙氣在C1預(yù)熱器出口的溫度為320℃～350℃，這個(gè)溫度區(qū)間是采用常規(guī)中溫催化劑的合適反應(yīng)溫度區(qū)間，將SCR脫硝反應(yīng)器布置于此，并在SCR反應(yīng)器前端加裝旋風(fēng)除塵器/電收塵器，將此處的高濃度煙塵收集一部分，改善后方SCR反應(yīng)器的工作環(huán)境，同時(shí)煙氣溫度能繼續(xù)保持在300℃以上，脫硝催化劑依然可以選擇常規(guī)的中溫催化劑[3]。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

水泥窯爐煙氣參數(shù)見表1。

表1 水泥窯爐煙氣參數(shù)

3 SCR煙氣脫硝技術(shù)

選擇性催化還原法（Selective Catalyst Reduction，SCR）脫硝技術(shù)是在金屬催化劑作用下，以氨水（NH3·H2O）或尿素[CO(NH2)2]作為還原劑，在預(yù)熱器出口的管道上，將溫度為320℃～350℃的煙氣引入SCR反應(yīng)器，在催化劑前噴入還原劑尿素或氨水，NOx在催化劑作用下被還原為無害的氮?dú)夂退甗4]。

SCR脫硝技術(shù)的特點(diǎn)是：1）脫硝效率高，可滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)；2）固定投資較大，設(shè)備較復(fù)雜，占地面積大；3）催化劑中的V、Mn、Fe等多種金屬會(huì)對(duì)SO2的氧化起催化作用，SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率較高，而NH3與SO3易形成NH4HSO4，造成堵塞或腐蝕；4）運(yùn)行成本受催化劑價(jià)格影響很大，主要受催化劑壽命的影響[5]。

氨水經(jīng)儲(chǔ)存、稀釋、計(jì)量和噴射系統(tǒng)，輸送到反應(yīng)器前段煙道內(nèi)，經(jīng)噴嘴霧化后被熱煙氣蒸發(fā)為氣態(tài)氨，經(jīng)過混合、均流設(shè)備進(jìn)入反應(yīng)器，在催化劑的參與下，與煙氣內(nèi)NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成N2和H2O。

（1）在SCR反應(yīng)器內(nèi)，NO通過以下反應(yīng)被還原：

（2）在煙氣中，NO2一般約占總NOx濃度的5%，NO2參與的反應(yīng)如下：

上面兩個(gè)反應(yīng)表明，還原NO2比還原NO需要更多的氨。

在絕大多數(shù)水泥生產(chǎn)線煙氣中，NO2僅占NOx總量的一小部分，因此NO2的影響并不顯著，通?？梢院雎?。由以上反應(yīng)，氨與NOx反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為N2排放，從而降低煙氣中NOx的排放濃度。

4 水泥窯爐SCR脫硝工藝

4.1 工藝流程

水泥窯爐脫硝工藝流程如下圖所示。SCR脫硝系統(tǒng)所用的還原劑與原系統(tǒng)內(nèi)已有的SNCR脫硝工藝一致。采用20%質(zhì)量濃度氨水溶液。

水泥窯爐煙氣SCR脫硝工藝流程框圖

自預(yù)熱器C1出口的熱風(fēng)煙道處開口，將煙氣先引入旋風(fēng)除塵器，經(jīng)過初步除塵的煙氣再進(jìn)入SCR反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)根據(jù)需要處理的煙氣量及NOx濃度核算，選擇合適層數(shù)的催化劑，煙氣與氨氣混合后，在催化劑的作用下，氨氣將高溫?zé)煔庵械腘Ox還原成N2與H2O，達(dá)到脫除NOx的目的。處理后的煙氣由高溫風(fēng)機(jī)送至后端增濕塔或余熱鍋爐，最終經(jīng)過窯尾收塵器后由煙囪排放；旋風(fēng)除塵器收集的生料及反應(yīng)器下部的灰料送回生料輸送系統(tǒng)。這樣布置的工藝流程，充分改善了后續(xù)脫硝反應(yīng)的環(huán)境。

（1）除塵器降低了SCR反應(yīng)器處的煙塵含量，蜂窩催化劑的孔數(shù)可有所提高，在催化劑立方數(shù)及層數(shù)不變的情況下，可有效降低催化劑及反應(yīng)器的整體高度。整個(gè)反應(yīng)器的壓力損失降低，可減少后端風(fēng)機(jī)的出力，降低能耗。

（2）由于減少了煙氣中Ca、Mg、Al及重金屬粉塵的含量，降低了催化劑在堿金屬下的催化劑中毒風(fēng)險(xiǎn)，間接延長(zhǎng)了催化劑的化學(xué)使用壽命。粉塵量降低，在固定的風(fēng)速下，含塵煙風(fēng)對(duì)催化劑的表面沖刷強(qiáng)度下降，也間接延長(zhǎng)了催化劑的物理壽命。

4.2 系統(tǒng)組成

4.2.1 還原劑的制備與噴射系統(tǒng)

大量水泥生產(chǎn)線基本已完成SNCR脫硝的改造工程，且水泥廠脫硝采用的還原劑多為氨水溶液。對(duì)于新建水泥生產(chǎn)線脫硝系統(tǒng)的項(xiàng)目，需要新建氨水脫硝系統(tǒng)，內(nèi)置氨水儲(chǔ)存系統(tǒng)、稀釋水系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、分配系統(tǒng)及噴射系統(tǒng)等。

氨水在稀釋到5%～10%濃度后，通過噴射泵加壓，經(jīng)管線到達(dá)噴槍前噴嘴處，由布置在反應(yīng)器前的預(yù)熱器風(fēng)管上的噴槍霧化并噴射進(jìn)風(fēng)管內(nèi)。氨水在340℃左右的高溫?zé)煔鈨?nèi)迅速蒸發(fā)成為氣態(tài)，并與煙氣一同混合均勻，在氣流均布后進(jìn)入催化劑模塊內(nèi)，在催化劑的參與下完成NOx向N2轉(zhuǎn)化的還原反應(yīng)。

氨水噴射量可根據(jù)煙氣中NOx含量及脫硝效率的反饋，自動(dòng)調(diào)節(jié)投入到噴嘴進(jìn)行蒸發(fā)的氨水溶液耗量。

4.2.2 催化劑

鑒于水泥SCR脫硝行業(yè)的特殊性，催化劑在300℃～350℃下可選擇常用的中溫催化劑，低于這個(gè)溫度會(huì)增加NH3的逃逸率，導(dǎo)致脫硝效率下降，甚至出現(xiàn)NH3和CO污染，而且催化劑會(huì)促使煙氣中的SO2轉(zhuǎn)換成SO3，NH3會(huì)與SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨而堵塞催化劑的反應(yīng)通道；高于這個(gè)溫度，特別是＞500℃時(shí)會(huì)造成V2O5燒結(jié)和揮發(fā)失效，通常出現(xiàn)于采用釩鈦基系列的蜂窩催化劑。水泥行業(yè)窯尾C1預(yù)熱器出口基本為水泥生料，其中Ca絕大多數(shù)以CaCO3的形式存在，CaO含量極少，當(dāng)CaO含量小于5%時(shí)，對(duì)于催化劑的失活影響不大，但粉塵量高，硬度高，粉塵細(xì)膩，部分催化劑需要在活性成分與抗中毒成分配方上做調(diào)整[6]。

水泥窯煙塵濃度大，硬度高，易對(duì)催化劑造成沖擊磨損。為了保證催化劑的抗磨損能力，可對(duì)催化劑進(jìn)行前端硬化處理和表面特殊涂層處理來提高耐磨和防堵灰措施，同時(shí)，為了SCR運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，在催化劑選型時(shí)宜考慮壁厚不小于0.8mm的催化劑，以便將來采用再生技術(shù)，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命[7]。

4.2.3 吹灰系統(tǒng)

鑒于水泥行業(yè)窯尾生料灰濃度高、硬度高、灰分細(xì)膩的特點(diǎn)。催化劑的表面應(yīng)常設(shè)吹灰系統(tǒng)。有效的吹灰系統(tǒng)是決定水泥催化還原脫硝的關(guān)鍵之一。目前主要的清灰方法包括蒸汽吹灰、聲波吹灰和壓縮空氣吹灰三種。

根據(jù)水泥窯煙氣粉塵的特性及各吹灰方式的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)外水泥窯煙氣脫硝成熟的工程應(yīng)用案例，水泥窯SCR催化劑宜采用壓縮空氣/蒸汽吹灰方式，同時(shí)可聯(lián)合聲波吹灰方式進(jìn)行吹灰，以保持催化劑清潔，避免因灰塵堆積減弱催化劑的活性。該項(xiàng)目在每層催化劑層的上方，安裝壓縮空氣噴吹噴嘴，噴嘴設(shè)計(jì)成能在催化劑層整個(gè)頂面上反復(fù)啟動(dòng)，并由空壓機(jī)提供＞140℃的熱風(fēng)，作為壓縮空氣吹掃氣源。

4.2.4 反應(yīng)器

該項(xiàng)目中的反應(yīng)器設(shè)計(jì)成煙氣豎直向下流動(dòng)，入口設(shè)氣流均布裝置及導(dǎo)流板，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)部易于磨損的部位設(shè)計(jì)必要的防磨措施。反應(yīng)器內(nèi)部各類加強(qiáng)板、支架設(shè)計(jì)成不易積灰的形式，同時(shí)考慮熱膨脹的補(bǔ)償措施。在反應(yīng)器入口、各層催化劑出口、反應(yīng)器出口等位置設(shè)置足夠數(shù)量的煙氣取樣孔，每層催化劑層出口布置足夠數(shù)量的煙氣取樣格柵鋼管。

4.2.5 流場(chǎng)優(yōu)化系統(tǒng)

脫硝系統(tǒng)進(jìn)行物理流場(chǎng)模型優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)范圍涵蓋從空氣預(yù)熱器C1出口到SCR反應(yīng)器出口的全部煙氣系統(tǒng)，包含煙氣系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)流板、反應(yīng)器入口煙道、出口煙道、反應(yīng)器等。

反應(yīng)器入口煙道的結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)合理，并在SCR反應(yīng)器入口設(shè)置導(dǎo)流、均流裝置，以保證煙氣在進(jìn)入第一層催化劑時(shí)滿足下列條件：1）速度最大偏差：小于平均值的±15%；2）溫度最大偏差：小于平均值的±10℃；3）煙氣入射催化劑最大角度（與垂直方向的夾角）<±10°；4）NH3/NOx摩爾比絕對(duì)偏差<5%。

在SCR反應(yīng)器入口煙道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流裝置，以保證煙氣在進(jìn)入空預(yù)器入口截面時(shí)滿足下列條件：1）煙氣速度最大偏差：小于平均值的±10%；2）煙氣入射角度最大偏差（與垂直方向的夾角）<±10°。

4.2.6 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

SCR脫硝反應(yīng)器的阻力在1000～1500Pa，對(duì)于高塵布置的方式，還需要增加電除塵器800～1000Pa的阻力。對(duì)于后端的高溫風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行改造，增加其壓頭，對(duì)于僅靠改造風(fēng)機(jī)仍無法滿足壓頭的情況，需要對(duì)高溫風(fēng)機(jī)重新選型，整體換新。

5 運(yùn)行參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性

5.1 運(yùn)行參數(shù)

年運(yùn)行消耗及成本分析見表2，脫硝裝置運(yùn)行參數(shù)及維護(hù)成本經(jīng)濟(jì)分析見表3。

5.2 經(jīng)濟(jì)分析

維護(hù)成本經(jīng)濟(jì)分析見表4。

表2 年運(yùn)行消耗及成本分析表

表3 脫硝裝置運(yùn)行參數(shù)和維護(hù)成本經(jīng)濟(jì)分析表

表4 維護(hù)成本經(jīng)濟(jì)分析表

6 結(jié)論

（1）以一條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，針對(duì)水泥窯爐煙氣特性，按“超低”排放的要求，設(shè)計(jì)水泥窯爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：煙氣量85萬(wàn)m3/h，初始NOx排放濃度400mg/Nm3，脫硝后排放濃度≤50mg/Nm3，氨逃逸量小于3ppm（2.28mg/Nm3），還原劑（20%氨水）消耗量260kg/h，脫硝效率＞87.5%。

（2）水泥窯爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)由六大模塊組成，包括還原劑制備與噴射系統(tǒng)、催化劑系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)、流場(chǎng)優(yōu)化系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的水泥窯爐SCR脫硝工藝，將除塵工序置于脫硝工藝之前，由此高溫除塵效率可達(dá)80%以上，經(jīng)過高溫除塵后進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣含塵量大幅度下降，可有效防止催化劑堵塞和磨損，延長(zhǎng)催化劑壽命，提高脫硝工藝的整體效率，并降低了氨耗量，減少了運(yùn)行費(fèi)用。合理設(shè)置除塵和脫硝工藝，可降低水泥脫硝工藝的整套投資成本。