水泥工業(yè)SCR脫硝技術(shù)探究

魏榮

（成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610056）

1 水泥工業(yè)NO x 控制標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

隨著燃煤機(jī)組超低排放改造應(yīng)用的有效推廣，火電行業(yè)實(shí)現(xiàn)了污染物大幅減排，同時(shí)也引發(fā)了工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)間排放標(biāo)準(zhǔn)的不平衡性發(fā)展。而正是行業(yè)間標(biāo)準(zhǔn)不平衡發(fā)展，導(dǎo)致大氣污染治理工作重點(diǎn)慢慢轉(zhuǎn)向了非電行業(yè)。而在水泥生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ谖廴疚?，尤其是NOx排放標(biāo)準(zhǔn)也越發(fā)嚴(yán)格。發(fā)展至今，水泥生產(chǎn)污染物排放物中顆粒物、SO2、NOx的排放限值分別為顆粒物＜10mg/Nm3、SO2＜20mg/Nm3、NOx＜100mg/Nm3，這就要求水泥生產(chǎn)在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行全面升級(jí)[1]。目前，我國部分省市已經(jīng)開展了水泥爐窯SCR 脫硝試點(diǎn)試行工作。隨著水泥污染排放物地域間標(biāo)準(zhǔn)不平衡發(fā)展，整個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷收嚴(yán)，SCR 脫硝技術(shù)必將成為主流趨勢(shì)。

2 SCR脫硝原理、主流工藝和設(shè)備配置

隨著選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)在火電廠、燃煤鍋爐中的應(yīng)用越來越成熟，SCR 脫硝技術(shù)在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用的可能性大幅度提升。為進(jìn)一步推動(dòng)SCR 脫硝技術(shù)在水泥廠中實(shí)際應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)SCR 脫硝原理、工藝、設(shè)備的應(yīng)用分析探討極為重要。

與SCR 脫硝技術(shù)在火電行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域原理相同，水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用基本原理也是在催化劑作用下，利用氨基來對(duì)煙氣中NOx進(jìn)行還原，得到不具備污染性的N2和H2O，主要反應(yīng)式如下：

水泥生產(chǎn)排污煙氣中也存在SO2等氣體，在O2作用下SO2會(huì)被氧化為SO3，進(jìn)而在SCR 催化劑作用生成不具備污染性的硫酸銨與硫酸氫銨。

值得注意的是，NH4HSO4具備較強(qiáng)的黏附性，黏附在催化劑上會(huì)隔絕催化劑與污染物接觸，使得催化劑失效。在230℃高溫下，NH4HSO4才會(huì)發(fā)生分解，所以，反應(yīng)爐中的溫度應(yīng)控制在230℃以上，為了是反應(yīng)充分，通常將溫度控制在300℃左右，超過400℃將會(huì)使催化劑燒結(jié)失效[2]。

SCR 反應(yīng)器是進(jìn)行脫硝反應(yīng)核心設(shè)備。在反應(yīng)器內(nèi)部，催化劑是以整體模塊形式布置，液氨蒸發(fā)，匯總氨水稀釋只有噴入煙道入口與煙氣充分結(jié)合。此過程中波形對(duì)入口的煙氣NOx濃度、溫度，NH3/NO 摩爾比，以及催化劑孔速進(jìn)行合理調(diào)整，確保進(jìn)入勻速、均勻，才能實(shí)現(xiàn)較高NOx脫除率，避免較大氨損失。在進(jìn)行反應(yīng)處理之前可通過虛擬層來對(duì)流場均勻性進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而確定合適的流速與濃度比例。此外，通過在催化劑前端設(shè)置金屬過濾網(wǎng)，減輕催化劑堵塞、腐蝕問題。

在水泥工業(yè)SCR 脫硝處理過程中，不同SCR 反應(yīng)器位置主要可將配置分為中溫高塵、中低溫高塵、低溫低塵3 種[3]。中溫高塵SCR 反應(yīng)器布置于預(yù)熱器與余熱鍋爐中間位置，溫度為320～360℃，因此，催化劑具備較強(qiáng)選擇性，脫硝效率與硫化物轉(zhuǎn)化率都較高，但是催化劑極易中毒失效，且會(huì)導(dǎo)致下游設(shè)備出現(xiàn)硫銨鹽沉積。中低溫高塵SCR 反應(yīng)器布置在余熱鍋爐與高溫風(fēng)機(jī)之間，溫度通常約為250℃，反應(yīng)煙氣量較之中溫高塵類型有所降低，成本也較低，導(dǎo)致仍然存在一定的高粉塵的問題與催化劑活性偏低問題。低溫低塵SCR 反應(yīng)器則布置在除塵器后，溫度在150℃之下，煙氣量與濃度最低，催化反應(yīng)效率不高，需確保SO2濃度小于10mg/Nm3，此時(shí)脫硝率也僅約為70%。

3 水泥工業(yè)運(yùn)用SCR脫硝技術(shù)研究

3.1 SCR催化劑

釩鈦基、沸石、活性炭都是較為常見的SCR 催化劑，其中釩鈦基適宜溫度為270～400℃，沸石為300～440℃，活性炭為100～150℃。而釩鈦基催化劑應(yīng)用最為廣泛。SCR 催化劑具備平行流催化劑顯著特性，蜂窩、平板、波紋板都是釩鈦基催化劑較為主流結(jié)構(gòu)形式。蜂窩與波紋催化劑的應(yīng)用原理基本一致，都是將載體進(jìn)行處理形成小孔來增加反應(yīng)接觸面積，平板催化劑的基材通常是以不銹鋼金屬網(wǎng)格，采用負(fù)載活性成分壓制而成。水泥工業(yè)生產(chǎn)含塵濃度通常為50～100g/Nm3，遠(yuǎn)比燃煤煙氣要大，蜂窩催化劑具備壁厚大、活性成分負(fù)載率高、接觸面積大的特點(diǎn)，因而更為適用水泥工業(yè)生產(chǎn)。

催化劑使用投資以及置換過程都需要耗費(fèi)大量成本，占據(jù)著SCR 脫硝處理整體費(fèi)用較大比例，因此，提高催化劑在SCR 管理提升其使用壽命極為重要。理論上SCR 催化劑能夠無限期使用，然而在實(shí)際上由于物理化學(xué)作用，以及催化劑表面被反應(yīng)化合物黏附，都會(huì)是催化劑失效，因此，在選擇催化劑時(shí)還應(yīng)選擇使用壽命較長的、性能穩(wěn)定的催化劑。值得注意的是，SCR 催化劑也是危險(xiǎn)物品，所以，在對(duì)廢棄催化劑進(jìn)行處理時(shí)必須由專業(yè)危險(xiǎn)廢物處理廠處理，或者由供應(yīng)商回收集中處理。

3.2 抗高塵技術(shù)

水泥爐窯高塵SCR 脫硝處理的煙氣含塵濃度高達(dá)50～100g/m3，煙氣飛灰沉積在催化劑表面會(huì)導(dǎo)致催化劑孔隙被堵住，并會(huì)對(duì)催化劑造成腐蝕，煙氣流通面積逐漸變小，降低了SCR 脫硝反應(yīng)效率。因此，必須注意及時(shí)清除催化劑表面積灰，為SCR 脫硝反應(yīng)器高效運(yùn)行提供保障，而蒸汽吹灰器與聲波吹灰器是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的清灰技術(shù)設(shè)備。

蒸汽吹灰器的應(yīng)用原理是借助高壓蒸汽噴射沖擊力對(duì)催化劑表面積灰進(jìn)行清除，蒸汽必須具備與反應(yīng)相當(dāng)?shù)臏囟?，避免低溫蒸汽降低催化劑性能。一般來說，蒸汽壓力控制在0.6～1.0MPa 為宜，溫度較相應(yīng)壓力飽和溫度要高出50～100℃。聲波吹灰器的使用主要是借助將壓縮空氣能轉(zhuǎn)化為聲波，聲波振動(dòng)會(huì)破壞黏附在催化劑上面的灰粒子，使其懸浮隨煙氣沖刷帶走。發(fā)生頭將攜帶能量的壓縮空氣轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)聲波，使灰粒子和空氣分子產(chǎn)生振動(dòng)，破壞灰粒子黏附在催化劑表面，使之處于懸浮流化態(tài)，通過煙氣流的沖刷帶走。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，蒸汽吹灰器具備更為明顯效果，但也存在一定缺陷，如需要使用高溫蒸汽，會(huì)對(duì)余熱鍋爐熱效產(chǎn)生較大影響，同時(shí)也需要消耗大量熱能。

3.3 環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益分析

水泥工藝SCR 脫硝技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算，主要是以每噸NOx減少量所投入的建設(shè)與運(yùn)行成本的計(jì)算為主，同時(shí)減排成本也是技術(shù)環(huán)評(píng)可行性評(píng)價(jià)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，在評(píng)價(jià)NOx去除技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益過程中，除了需要考慮單位NOx減排成本之外，還需要對(duì)SCR 脫硝技術(shù)應(yīng)用對(duì)于SO2、氨、汞等其他污染物治理的綜合效益。

4 結(jié)語

水泥生產(chǎn)是我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)中重要組成部分，但是我國在水泥脫硝技術(shù)應(yīng)用方面起步較晚，隨著水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提升，非催化還原（SCR）脫硝改造在我國水泥生產(chǎn)行業(yè)全面推行。隨著超低排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，水泥工業(yè)SCR 脫硝技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)成本高居不下成為水泥生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展重要制約因素，加強(qiáng)對(duì)水泥工業(yè)SCR 脫硝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析將有利于水泥脫硝技術(shù)以及整個(gè)行業(yè)NOx減排效果的提升。