水泥廠煙氣中溫選擇性催化還原技術(shù)中試研究*

朱思佳 郭旸旸 王東書 羅 雷 李 晶 母佰龍 宋杰明 朱廷鈺,3#

(1.中國科學(xué)院過程工程研究所，濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國家工程實驗室，過程污染控制工程研究中心，北京 100190；2.邯鄲金隅太行水泥有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056299；3.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心，福建 廈門 361021)

NOx的大量排放已造成多種嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染問題，如酸雨、光化學(xué)煙霧等[1-2]。我國大部分NOx來自于工業(yè)源排放，特別是電力、水泥、冶煉等行業(yè)[3-4]。水泥行業(yè)NOx排放量約占全國NOx總排放量的15%，是繼電力行業(yè)后NOx的第二大工業(yè)排放源。近年來，隨著電力行業(yè)超低排放改造的完成，水泥行業(yè)開始面臨NOx的減排壓力[5]。為推進(jìn)水泥行業(yè)NOx減排，各地方政府相繼出臺了相關(guān)排放要求。江蘇省要求水泥行業(yè)在2019年6月1日前達(dá)到NOx排放質(zhì)量濃度≤100 mg/Nm3；河北省規(guī)定自2022年1月1日起水泥生產(chǎn)企業(yè)的NOx排放質(zhì)量濃度≤50 mg/Nm3；河南省要求到2021年，NOx標(biāo)準(zhǔn)限值升級至50 mg/Nm3，并且將氨逃逸問題列入了監(jiān)測要求。

目前，水泥行業(yè)一般采用低氮燃燒和選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)控制NOx，其脫硝效率一般為50%～70%，NOx排放質(zhì)量濃度為200～400 mg/Nm3[6]。學(xué)者們嘗試加大噴氨量來提高脫硝效率，發(fā)現(xiàn)效果并不理想[7-8]，而且會導(dǎo)致尾端氨逃逸增加，造成二次污染[9-11]。隨著標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)，水泥行業(yè)現(xiàn)有脫硝技術(shù)已基本無法滿足超低排放的需求。

廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)超低排放改造的選擇性催化還原(SCR)技術(shù)具有脫硝效率高、氨逃逸低等優(yōu)點[12]。然而，水泥行業(yè)煙氣與電力行業(yè)不同，水泥行業(yè)煙氣中粉塵濃度極高，且粒度細(xì)(20 μm左右)，還含有大量的CaO、CaCO3等組分，易導(dǎo)致催化劑的積灰、磨損及中毒等問題，制約了SCR技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用[13-14]。因此，開發(fā)適用于水泥行業(yè)的SCR技術(shù)非常必要。溫度是水泥行業(yè)應(yīng)用SCR技術(shù)必須考慮的因素[15]。目前，國內(nèi)外水泥廠已對高溫SCR進(jìn)行了不少研究，有些已經(jīng)實現(xiàn)了中試或示范應(yīng)用[16-18]。但對于中溫SCR，國內(nèi)外均無成熟的示范應(yīng)用。因此，開發(fā)適用于水泥行業(yè)的中溫SCR技術(shù)有望實現(xiàn)水泥行業(yè)中溫實際煙氣的直接脫硝[19]。

本研究在某水泥廠4 500 t/d的新型干法水泥生產(chǎn)線的余熱發(fā)電高溫風(fēng)機(jī)后增加中溫SCR反應(yīng)器，并進(jìn)行中試，結(jié)合計算流體力學(xué)(CFD)流場模擬，對SCR反應(yīng)器內(nèi)的顆粒物分布及流場進(jìn)行分析，全面分析此中試工藝的脫硝效果，并探究了工藝的影響因素。

1 試驗方法

在某水泥廠4 500 t/d的新型干法水泥生產(chǎn)線的余熱發(fā)電高溫風(fēng)機(jī)后增加中溫SCR反應(yīng)器，并進(jìn)行中試，新增裝置主要包括3個部分：靜電除塵系統(tǒng)(ESP)、SCR反應(yīng)器和噴氨系統(tǒng)，其中SCR反應(yīng)器長1.95 m、寬1.01 m、高7.30 m。煙氣參數(shù)由連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS，2000BS)、自動煙塵分析儀(3012H)、紅外煙氣分析儀(MGA 6 plus，德國MRU公司)和氨逃逸分析儀(RB 120 P，加拿大優(yōu)勝公司)進(jìn)行檢測記錄。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 中溫SCR反應(yīng)器流場模擬結(jié)果

利用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行了CFD流場模擬，主要模擬了SCR反應(yīng)器內(nèi)速度分布、壓力分布和氨濃度分布，網(wǎng)格數(shù)約110萬個，以燃煤為燃料，煙氣計算參數(shù)見表1，計算得到SCR反應(yīng)器的邊界條件見表2。

根據(jù)SCR反應(yīng)器內(nèi)各截面的速度分布情況可知，在合理的導(dǎo)流板和整流格柵布置下，煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)部催化劑層時流場趨于均勻，無局部高速區(qū)，也無低速死角，催化劑層流場良好，有利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。

根據(jù)SCR反應(yīng)器內(nèi)各截面的壓力分布情況可知，主要壓力損失集中在彎道和催化劑層。經(jīng)計算，兩層催化劑的反應(yīng)器壓降為275 Pa，隨運行時間的推移，壓降會增大。

根據(jù)SCR反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布情況可知，經(jīng)噴氨格柵、導(dǎo)流板及整流格柵調(diào)整后，氨濃度分布趨于均勻，能夠滿足脫硝反應(yīng)要求。

2.2 中溫SCR反應(yīng)器中試運行效果

由表3可見，在空速為2 000 h-1、ESP電壓為60 kV、吹灰周期為1 h、反應(yīng)溫度為180 ℃的條件下，中溫SCR反應(yīng)器脫硝效率雖不能穩(wěn)定在80%以上，但基本可以達(dá)到80%，可滿足超低排放的需求。水泥廠原有的SNCR反應(yīng)器氨逃逸質(zhì)量濃度為68～99 mg/Nm3，中溫SCR反應(yīng)器可以有效降低氨逃逸濃度，但由于SCR反應(yīng)器入口NOx濃度已經(jīng)較低，前端逃逸的氨不能全部參與反應(yīng)，所以在SCR反應(yīng)器出口仍有一定的氨逃逸。

中溫SCR反應(yīng)器出口的NOx濃度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖1。由圖1可見，脫硝效果受工況影響會有一定的波動，但中溫SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度基本可基本穩(wěn)定在10～30 mg/Nm3，可基本滿足小于50 mg/Nm3的超低排放要求。由此可見，中試運行穩(wěn)定，脫硝效果較好。

2.3 空速對脫硝效率的影響

固定ESP電壓為60 kV、吹灰周期為1 h、反應(yīng)溫度為180 ℃，在1 100～2 000 h-1的空速條件下測試中溫SCR反應(yīng)器的中試脫硝效率，結(jié)果見圖2。隨著空速的升高脫硝效率降低，原因為：空速升高導(dǎo)致煙氣停留時間變短，煙氣和催化劑的接觸時間變少，NOx被還原的概率變小。但本研究中空速為1 100～2 000 h-1，脫硝效率都能超過80%，可以滿足超低排放的需求，因此建議選擇煙氣停留時間短的空速(2 000 h-1)。

表1 煙氣計算參數(shù)

表2 SCR反應(yīng)器邊界條件

表3 中溫SCR反應(yīng)器煙氣組分測試結(jié)果

圖1 中溫SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.1 On-line monitoring data of NOx mass concentration at medium temperature SCR reactor outlet

圖2 空速對脫硝效率的影響Fig.2 Effect of space velocity on denitration efficiency

2.4 ESP電壓對脫硝效率的影響

固定空速為2 000 h-1、吹灰周期為1 h、反應(yīng)溫度為180 ℃，在55～65 kV的ESP電壓條件下測試中溫SCR反應(yīng)器的中試脫硝效率，結(jié)果見圖3。隨著ESP電壓從55 kV升高至65 kV，脫硝效率升高了1.62百分點，說明ESP電壓對脫硝效率有一定的影響，ESP電壓主要是通過影響粉塵濃度而影響脫硝效率的。圖3中脫硝效率都在80%以上，可以滿足超低排放的需求。因此，ESP電壓為55～65 kV是可行的。

圖3 ESP電壓對脫硝效率的影響Fig.3 Effect of ESP voltage on denitration efficiency

2.5 反應(yīng)溫度對脫硝效率的影響

固定空速為2 000 h-1、吹灰周期為1 h、ESP電壓為60 kV，受水泥廠條件的限制，此次測試僅在177～203 ℃的溫度范圍內(nèi)測試中溫SCR反應(yīng)器的中試脫硝效率，結(jié)果見圖4。隨著反應(yīng)溫度的升高脫硝效率升高，當(dāng)反應(yīng)溫度超過190 ℃后，脫硝效率超過80%，滿足超低排放的需求。實際中試中由于考慮到能耗的問題，反應(yīng)溫度采用了180 ℃，若條件允許，后續(xù)建議采用200 ℃，這樣基本可以保證脫硝效率穩(wěn)定超過80%。

2.6 吹灰周期對反應(yīng)器壓降的影響

吹灰周期過長，會導(dǎo)致催化劑堵塞，脫硝效率下降，甚至造成催化劑的不可逆損壞；吹灰周期過短，會導(dǎo)致能源浪費，聲波吹灰器損耗加快。不同類型的催化劑所需的吹灰周期不同，找到適合催化劑的最佳吹灰周期在實際工程運行中可以使經(jīng)濟(jì)效益最大化。本研究的催化劑為釩基脫硝催化劑。固定空速為2 000 h-1、反應(yīng)溫度為180 ℃、ESP電壓為60 kV，設(shè)置吹灰周期為1、2 h和吹灰器關(guān)閉3種條件，考察反應(yīng)器壓降的變化，結(jié)果見圖5。在吹灰器關(guān)閉的情況下，反應(yīng)器壓降隨著時間延長總體呈升高趨勢，壓降變化較大，運行14 h壓降升高了近30%。本研究的水泥廠粉塵粒度細(xì)，在催化劑孔道內(nèi)容易被吸附，吹灰器關(guān)閉就容易導(dǎo)致反應(yīng)器壓降逐漸上升。吹灰周期為2 h時，雖然反應(yīng)器壓降較穩(wěn)定，但總體壓降較大。在實際工程應(yīng)用中，吹灰周期應(yīng)小于2 h。

圖4 反應(yīng)溫度對脫硝效率的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on denitration efficiency

圖5 吹灰周期對反應(yīng)器壓降的影響Fig.5 Effect of ash cleaning interval on reactor pressure decrement

3 結(jié) 論

在新型干法水泥生產(chǎn)線的余熱發(fā)電高溫風(fēng)機(jī)后增加中溫SCR反應(yīng)器，并進(jìn)行了中試研究，反應(yīng)器內(nèi)流場均勻，無局部高速區(qū)，也無低速死角，催化劑層流場良好，主要壓力損失集中在彎道和催化劑層，氨濃度分布均勻，有利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。中試結(jié)果表明，脫硝效率可基本達(dá)到80%，出口NOx質(zhì)量濃度可基本穩(wěn)定在10～30 mg/Nm3，基本滿足超低排放的要求。在1 100～2 000 h-1的空速和55～65 kV的ESP電壓條件下，脫硝效率均超過80%。建議反應(yīng)溫度采用200 ℃，吹灰周期小于2 h。