水泥窯煙氣SCR脫硝技術(shù)和工程應(yīng)用

摘 要：隨著水泥行業(yè)超低排放政策的實(shí)施，水泥窯煙氣氮氧化物深度治理是實(shí)現(xiàn)超低排放的核心技術(shù)之一。西礦環(huán)保結(jié)合中國水泥窯工藝特點(diǎn)，領(lǐng)先開發(fā)出“高溫電除塵器+SCR脫硝一體化技術(shù)”，具有低阻高效的顯著優(yōu)點(diǎn)。西礦環(huán)保在取得全國首臺套水泥窯SCR脫硝技術(shù)示范工程成功投運(yùn)后，共實(shí)施了15個(gè)水泥SCR脫硝工程，氮氧化物排濃度放穩(wěn)定達(dá)到50mg/Nm³以下，對我國水泥氮氧化物深度減排具有重要的引領(lǐng)示范作用。

1.前言

SCR脫硝技術(shù)在我國電力行業(yè)應(yīng)用成熟，氮氧化物排放可達(dá)到50mg/Nm³以下。在煤電行業(yè)實(shí)行“超低排放”的背景下，水泥煙氣污染物排放總量大，特別是氮氧化物占全國工業(yè)排放總量的10~12%。《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915-2013）要求氮氧化物排放限值320mg/Nm³，遠(yuǎn)高于煤電行業(yè)超低排放限值50mg/Nm³。2019年，河北省邯鄲市要求不高于50mg/Nm³的氮氧化物排放要求。2020年，河北省、河南省、安徽省出臺地方標(biāo)準(zhǔn)，要求水泥窯煙氣氮氧化物排放濃度不高于100mg/Nm³的“超低排放”要求。 2020年，國家生態(tài)環(huán)境部[2020]340號函《重污染天氣重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南》，實(shí)行ABCD分級績效分級，水泥行業(yè)A類企業(yè)要求NOx排放濃度收嚴(yán)至50mg/Nm³以下，氨逃逸小于5mg/m³以下。國家環(huán)保要求日趨嚴(yán)厲，水泥行業(yè)面臨巨大的氮氧化物減排壓力，排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步收緊是未來發(fā)展的大趨勢。

SCR脫硝技術(shù)作為全世界應(yīng)用最廣泛高效的氮氧化物脫除技術(shù)，是水泥行業(yè)氮氧化物治理最理想的技術(shù)路線之一。歐洲水泥行業(yè)氮氧化物深度治理技術(shù)主要是在SCR脫硝技術(shù)方面展開研究應(yīng)用，取得了一定的試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)水泥生產(chǎn)規(guī)模和工藝特點(diǎn)相較于歐洲有較大差異，需消化改進(jìn)。

西礦環(huán)保作為水泥行業(yè)煙氣治理的領(lǐng)軍企業(yè)，自主研發(fā)的“高溫電除塵器+SCR脫硝一體化技術(shù)”，在水泥行業(yè)開展首臺4500t/d水泥窯全煙氣工程示范應(yīng)用，順利通過環(huán)保檢測驗(yàn)收，且已穩(wěn)定運(yùn)行兩年以上時(shí)間。2018年至今，西礦環(huán)保已經(jīng)實(shí)施了15個(gè)水泥SCR脫硝工程，為我國水泥行業(yè)氮氧化物深度減排提供技術(shù)支撐和工程示范。

2.水泥SCR脫硝技術(shù)路線

對于SCR脫硝技術(shù)來說要使反應(yīng)效率高效穩(wěn)定，保證反應(yīng)器溫度窗口尤為重要。根據(jù)水泥工藝特點(diǎn)，水泥窯尾預(yù)熱器C1出口溫度280~330℃，是應(yīng)用SCR脫硝最佳工藝溫度段，可獲得較高的脫硝效率。但工況條件惡劣，須采取改善措施，以保障SCR脫硝系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

通過多項(xiàng)工程實(shí)踐證明，選擇“高溫電除塵器+SCR脫硝一體化技術(shù)” 相較于其他工藝路線具有高效、穩(wěn)定與運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，是目前水泥行業(yè)SCR脫硝的最佳選擇。

3.水泥SCR脫硝關(guān)鍵技術(shù)

3.1降塵防堵

水泥煙氣中的粉塵具有濃度大、粒徑小、鈣質(zhì)成分高的特點(diǎn)，降低粉塵濃度是水泥高溫SCR脫硝的關(guān)鍵技術(shù)之一。西礦環(huán)保憑借多年在水泥和電力行業(yè)煙氣治理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出適用水泥高溫工況的電除塵器技術(shù)，有效改善催化劑沖刷和堵塞風(fēng)險(xiǎn)。高溫電除塵器相對比其它除塵方式，具有低阻高效的特點(diǎn)。

西礦環(huán)保高溫電除塵器采用耐高溫的陽極板、陰極線等專利技術(shù)，有效提高除塵器的穩(wěn)定性，通過對高溫放電性能、絕緣性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究改進(jìn)，使其在經(jīng)受高溫工況仍有較高除塵效率。保證SCR脫硝系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行,選用大孔徑蜂窩催化劑，同時(shí)選擇合適的催化劑高度，提升清灰效果，有效降低粉塵對催化劑堵塞的幾率。

圖1 水泥SCR脫硝工藝流程圖

3.2高效清灰

經(jīng)過高溫電除塵器預(yù)除塵之后，進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣仍含一定的粉塵。相對于燃煤電廠粉塵粘性較大，會在催化劑的表面和孔道內(nèi)堆積，造成脫硝效率降低，阻力不斷上升，甚至造成催化劑堵塞風(fēng)險(xiǎn)。為保障催化劑長期運(yùn)行，采用聲波吹灰器和耙式吹灰器組合吹灰方式。西礦環(huán)保經(jīng)過多項(xiàng)工程實(shí)踐，對聲波吹灰器和耙式吹灰器進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，掌握核心關(guān)鍵技術(shù)，大幅提升組合吹灰系統(tǒng)的清灰性能和穩(wěn)定性。

聲波吹灰器是將壓縮空氣蓄能轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)度聲波，使沉積的粉塵產(chǎn)生震蕩并處于懸浮流化狀態(tài)，部分粉塵隨煙氣帶走。耙式吹灰器是將壓縮空氣利用專用換熱器加熱后，通過可伸縮耙管的噴嘴噴出，對沉積的粉塵進(jìn)行移動吹掃，保持催化劑孔道暢通，熱態(tài)壓縮空氣可避免低溫對催化劑的冷脆損壞。

3.3水泥行業(yè)SCR催化劑研發(fā)

水泥窯煙氣粉塵中GaO等堿金屬氧化物含量高，會造成催化劑產(chǎn)生堿金屬中毒，活性大幅降低，導(dǎo)致脫硝效率低下。此外，水泥窯煙氣脫硝溫度區(qū)間較窄，且相對電廠脫硝溫度，水泥窯煙氣溫度偏低。西礦環(huán)保與清華大學(xué)國家工程實(shí)驗(yàn)室開展課題研究，致力適用于水泥行業(yè)煙氣脫硝的國產(chǎn)催化劑研發(fā)。目前應(yīng)用水泥行業(yè)首臺套SCR煙氣脫硝示范工程的催化劑已運(yùn)行兩年，脫硝運(yùn)行效果良好。

3.4還原劑制備與混合

目前水泥企業(yè)均已建成SNCR脫硝系統(tǒng),可以利用現(xiàn)有氨站系統(tǒng)。SCR脫硝技術(shù)常采用蒸汽或熱風(fēng)將氨水蒸發(fā)為氨氣，再經(jīng)稀釋風(fēng)機(jī)稀釋后利用噴氨格柵在煙道內(nèi)均勻噴射，通過混合器使氨氣與煙氣中氮氧化物充分混合。水泥窯工藝熱源短缺，沒有潔凈熱風(fēng)或富裕蒸汽等熱源，電加熱器能耗過大。

結(jié)合在水泥工藝特點(diǎn)，西礦環(huán)保開發(fā)出氨水直接噴入工藝以及專用雙流體噴槍技術(shù)，將氨水噴射與混合技術(shù)與高溫除塵有機(jī)結(jié)合。適用水泥窯工藝特點(diǎn)的氨水蒸發(fā)與混合技術(shù)，可大幅簡化工藝流程，具有降低投資成本，運(yùn)行維護(hù)簡便，運(yùn)行能耗低等顯著優(yōu)勢。

西礦環(huán)保始終堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，針對水泥污染物減排需求，全面開展水泥SCR脫硝各類關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用優(yōu)化，保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，脫硝效率穩(wěn)定，系統(tǒng)能耗降低。

4.示范項(xiàng)目和工程應(yīng)用

西礦環(huán)保自主研發(fā)的水泥窯煙氣SCR脫硝技術(shù)，已在登封宏昌水泥有限公司4500t/d水泥熟料生產(chǎn)線成功應(yīng)用，是全國首臺套水泥SCR脫硝示范工程。

2018年10月，經(jīng)環(huán)保專家現(xiàn)場核查驗(yàn)收，氮氧化物排放濃度可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)50mg/Nm³以下，脫硝率可達(dá)90％以上，氨逃逸小于3ppm。項(xiàng)目投運(yùn)后，全系統(tǒng)阻力1000Pa左右，溫度降10℃左右，大幅降低原SNCR還原劑消耗量，降低余熱鍋爐進(jìn)口粉塵濃度，改善余熱鍋爐換熱效率。該項(xiàng)運(yùn)行至今已近兩年時(shí)間，氮氧化物穩(wěn)定達(dá)到超低排放要求。

2019年至今，西礦環(huán)保已順利執(zhí)行15個(gè)水泥生產(chǎn)線SCR脫硝超低排放治理工程，其中8個(gè)項(xiàng)目已投入運(yùn)行，詳見水泥窯煙氣SCR脫硝工程業(yè)績表。水泥SCR脫硝項(xiàng)目的持續(xù)成功投運(yùn)，將會進(jìn)一步推動全國水泥環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，顯著降低水泥工業(yè)氮氧化物排放總量，改善我國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

5.總結(jié)和展望

5.1總結(jié)

（1）水泥窯出口煙氣粉塵濃度高，可達(dá)80g/Nm³～100g/Nm³，甚至150g/Nm³以上，高溫電除塵器可有效降低水泥窯煙氣粉塵含量，保證SCR脫硝反應(yīng)器高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）水泥窯煙氣粉塵中CaO含量高，粉塵粒徑小且黏度大，對SCR脫硝催化劑有特殊要求，選用大孔抗中毒耐沖刷催化劑及高效組合吹灰，可保障反應(yīng)器系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（3）“高溫電除塵+SCR脫硝一體化”技術(shù)及氨水蒸發(fā)混合技術(shù)，脫硝效率可達(dá)90%以上，同時(shí)降低了余熱鍋爐入口粉塵濃度及系統(tǒng)噴氨量，提高余熱鍋爐利用效率并減少對系統(tǒng)末端設(shè)備的腐蝕，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

5.2展望

2018年至今，登封宏昌水泥高溫中塵SCR脫硝工程已成功運(yùn)行兩年半時(shí)間，標(biāo)志著SCR脫硝技術(shù)在水泥行業(yè)成功應(yīng)用。西礦環(huán)保一直致力于各類水泥脫硝技術(shù)的研究和開發(fā)，在眾多水泥SCR脫硝工程實(shí)踐過程中，積累了豐富的技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)，在高溫中塵技術(shù)的基礎(chǔ)上，已成功研發(fā)出適應(yīng)不同水泥窯工況的高溫高塵SCR脫硝和高溫低塵SCR脫硝成套技術(shù)，掌握各項(xiàng)核心技術(shù)。隨著各項(xiàng)水泥SCR脫硝技術(shù)的發(fā)展，西礦環(huán)保可提供滿足不同水泥生產(chǎn)線需求的SCR脫硝產(chǎn)品，為水泥行業(yè)NOx超低排放貢獻(xiàn)力量。

日趨嚴(yán)苛的政策環(huán)境、一再提升的排放標(biāo)準(zhǔn)、不斷拓寬的治理范圍，水泥行業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝如何適應(yīng)新時(shí)期，行業(yè)發(fā)展的新需求？ 為此，中國水泥網(wǎng)將于2021年6月29-30日，在河北石家莊召開“2021中國水泥行業(yè)超潔凈排放技術(shù)交流大會”，探討超低排放和碳減排領(lǐng)域，更經(jīng)濟(jì)高效實(shí)施方案，分享最先進(jìn)技術(shù)理念，助力行業(yè)“十四五”綠色高質(zhì)量發(fā)展。