汪瀾：SCR技術(shù)作為最成熟、應(yīng)用最廣的脫硝技術(shù)將勢在必行

8月25日，由中國水泥網(wǎng)主辦的“2020超潔凈排放技術(shù)交流大會”在浙江湖州盛大召開。中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司汪瀾教授應(yīng)邀出席會議并作精彩報告。  

數(shù)據(jù)顯示，2019年，全國水泥產(chǎn)量23.3億噸，熟料產(chǎn)量15.2億噸，全國新新型干法水泥生產(chǎn)線1712條。由于基數(shù)巨大，雖然國內(nèi)水泥行業(yè)經(jīng)過幾十年的高速發(fā)展，污染物減排方面取得長足進(jìn)步，但每年排放的污染物總量任然巨大，對環(huán)境造成較大壓力。水泥行業(yè)的綠色發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。  

水泥行業(yè)綠色發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策  

近年來，為做好環(huán)境治理工作，加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。國家層面出臺了大量針對工業(yè)領(lǐng)域的減排目標(biāo)和相關(guān)政策。  

具體來看：  

?《十三五規(guī)劃》“加快改善生態(tài)環(huán)境”的戰(zhàn)略目標(biāo)，并明確要“加大環(huán)境綜合治理力度，大力推進(jìn)污染物達(dá)標(biāo)排放和總量減排”；  

?《大氣污染防治行動計劃》提出提出“加強脫硫、脫硝等方面的技術(shù)研發(fā)”；  

?大氣污染物治理工作是踐行“綠水青山就是金山銀山”理念和推動生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容；  

?黨中央、國務(wù)院印發(fā)《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》對未來三年國家大氣污染防治工作進(jìn)行部署；  

?2019年3月5日，李克強總理作《政府工作報告》提出，今年持續(xù)推進(jìn)污染治理，SO2,、NOx排放量下降3%，加強工業(yè)、燃煤、機動車三大污染源治理。  

?2019年7月，《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》（環(huán)大氣〔2019〕56號），到2020年，完善工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理管理體系，推進(jìn)工業(yè)爐窯全面達(dá)標(biāo)排放，實現(xiàn)工業(yè)行業(yè)二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物排放進(jìn)一步下降，促進(jìn)鋼鐵、建材等重點行業(yè)二氧化碳排放總量得到有效控制。  

汪瀾在報告中還指出，工業(yè)產(chǎn)品綠色設(shè)計示范企業(yè)評審對水泥行業(yè)發(fā)展具有重要意義。  

一方面，綠色設(shè)計是按照全生命周期理念，在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段，系統(tǒng)考慮原料、制造、使用、回收、處理等各個環(huán)節(jié)對資源環(huán)境造成的影響，從源頭降低資源消耗，減少污染物產(chǎn)生和排放；另一方面，推行綠色設(shè)計，是貫徹落實新發(fā)展理念的具體舉措，是促進(jìn)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容，是引導(dǎo)綠色生產(chǎn)和綠色消費的有效手段。  

除政策層面的深化以外，在污染物排放標(biāo)準(zhǔn)方面，近年來國內(nèi)水泥行業(yè)也有大幅提升。從《工業(yè)企業(yè)“三廢”排放試行標(biāo)準(zhǔn)》（GB74-73）開始算起，從1973年到2013年，針對水泥行業(yè)國內(nèi)工出臺了五項標(biāo)準(zhǔn)，除（GB74-73）以外，還包括《水泥工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-85）、《水泥廠大氣污染污排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-96）、《水泥廠大氣污染污排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2004）、《水泥工業(yè)大氣污染污排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2013）。隨著標(biāo)準(zhǔn)的更新，國內(nèi)對水泥行業(yè)污染物的要求也不斷嚴(yán)格。  

以當(dāng)前水泥行業(yè)執(zhí)行的《水泥工業(yè)大氣污染污排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2013）為例，粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放指標(biāo)分別為20-30mg/m3、100-200mg/m3、320-400mg/m3。與此同時，從全球范圍來看，我國的現(xiàn)行水泥行業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實現(xiàn)與國際接軌，甚至嚴(yán)于部分發(fā)達(dá)國家。  

另外，在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)部分省市也出臺了針對地方的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)。  

汪瀾在報告中指出，不久前《重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排技術(shù)指南》（2020年修訂版）正式出臺。其中，水泥熟料企業(yè)績效分級指標(biāo)中A級企業(yè)，要求水泥窯配備兩種及以上低氮燃燒技術(shù)+窯尾配備選擇性非催化還原（SNCR）/窯尾配備選擇性催化還原（SCR）等脫硝技術(shù)。  

水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)，PM、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3，氨逃逸≤5mg/m3；烘干系統(tǒng)利用余熱；其它產(chǎn)塵點，PM排放濃度不高于10mg5mg/m3。  

上述文件對水泥熟料企業(yè)重污染天氣應(yīng)急期間減排措施規(guī)定為：  

?A級企業(yè)，鼓勵結(jié)合實際，自主采取減排措施。  

?B級企業(yè)，黃色預(yù)警期間：停止使用國四及以下重型載貨車輛（含燃?xì)猓┻M(jìn)行運輸。橙色預(yù)警期間：限產(chǎn)20%，以“環(huán)評批復(fù)產(chǎn)能、排污許可載明產(chǎn)能、前一年正常生產(chǎn)實際產(chǎn)量”三者日均值的最小值為基準(zhǔn)核算；停止使用國四及以下重型載貨車輛（含燃?xì)猓┻M(jìn)行運輸。紅色預(yù)警期間：停產(chǎn)；停止使用國四及以下重型載貨車輛（含燃?xì)猓┻M(jìn)行運輸。  

?C級企業(yè)，黃色預(yù)警期間：停產(chǎn)50%，以生產(chǎn)線計；停止使用國四及以下重型載貨車輛（含燃?xì)猓┻M(jìn)行運輸。橙色及以上預(yù)警期間：停產(chǎn)；停止使用國四及以下重型載貨車輛（含燃?xì)猓┻M(jìn)行運輸。  

?D級企業(yè)，黃色及以上預(yù)警期間：停產(chǎn)；停止公路運輸。  

基于上述原因，水泥行業(yè)超低排放趨勢明顯，水泥行業(yè)綠色升級勢在必行。  

SCR技術(shù)進(jìn)展  

水泥行業(yè)粉塵、二氧化硫、氮氧化物三大主要減排目標(biāo)中，氮氧化物減排難度最大，SCR作為一種高效且成熟的氮氧化物脫除技術(shù)，被不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是水泥行業(yè)實現(xiàn)超低排放的關(guān)鍵技術(shù)方案。  

據(jù)汪瀾介紹，SCR是由美國Eegelhard公司提出的，并在1959年申請發(fā)明專利，日本1972年對SCR技術(shù)開始進(jìn)行探索研究，并率先在1978年實現(xiàn)SCR的工業(yè)應(yīng)用，隨后應(yīng)用于燃油和燃?xì)怆娬惧仩t，后來逐漸向燃煤電站普及，德國于1980年代中期開始在燃煤電站鍋爐上采用SCR脫硝技術(shù)，美國從1990年代開始對燃煤鍋爐進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。  

我國從1990年代在福建漳州后石電廠600MW機組投運裝置投產(chǎn)后，2006年國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國華太倉發(fā)電600MW機組SCR脫硝工程成功投運。目前已在電廠、鋼鐵廠、石化、建材等煙氣脫硝工程中得到廣泛應(yīng)用。  

SCR的反應(yīng)機理比較復(fù)雜，化學(xué)過程是以氨為還原劑，在一定溫度和催化劑的作用下，將煙氣中的NOX還原成N2和H2O。  

完整的SCR脫硝系統(tǒng)基本包括：1、脫硝反應(yīng)器；2、還原劑儲存及供應(yīng)系統(tǒng)；3、氨噴射器；4、控制系統(tǒng)四個部分。其中，脫硝反應(yīng)器是SCR工藝的核心裝置，內(nèi)裝有催化劑以及吹灰器等。催化劑是SCR技術(shù)的核心，其催化性能的高低直接影響整個脫硝系統(tǒng)的脫硝效率。  

催化劑主要由由主催化劑、助催化劑和載體組成。  

主催化劑，也稱活性組分，是必備的組分。其價態(tài)、晶粒度及分布情況對催化劑的活性均有影響。  

助催化劑是加入催化劑中的少量物質(zhì)，沒有活性或活性很小，但卻能顯著改善催化劑的效能（活性、選擇性和穩(wěn)定性等）。助劑，可以是單質(zhì)，也可以是化合物。其種類、用量和加入方法不同，效能（化學(xué)組成、離子形態(tài)、酸堿性、晶體結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、機械強度、活性組分分散狀態(tài)）不同，進(jìn)而影響催化劑的活性、選擇性及壽命。  

載體，主要對催化劑活性組分及催化助劑起機械承載作用，并增加催化反應(yīng)表面積及孔結(jié)構(gòu)，提高抗磨損、抗沖擊和機械強度；是主催化劑和助催化劑的分散劑、粘合劑、支撐體。  

汪瀾表示，催化劑表面積的大小直接影響催化活性的高低。一般催化劑表面積是根據(jù)Brunauer-Emmett-Teller提出的多層吸附理論及總結(jié)出的BET方程式進(jìn)行測定和計算。評價催化劑時常采用比表面積的概念，即1g催化劑所暴露的總表面積稱為該催化劑的比表面積，m2/g。  

另外，催化劑選擇性的量度，是指一定條件下轉(zhuǎn)化為某種目的產(chǎn)品所用反應(yīng)物的量占轉(zhuǎn)化總量的百分比來表示。影響催化劑選擇性的因素，除活性組分外，還與活性組分在催化劑表面上的定位與分布、微晶的粒度大小以及與催化劑或載體的孔容、孔徑分布等因素有關(guān)  

催化劑失活是導(dǎo)致SCR脫硝效率降低的重要因素。汪瀾在報告中指出，催化劑活性隨著運行時間的增長而有所降低。主要分為兩類：化學(xué)變化引起的失活和結(jié)構(gòu)改變引起的失活。  

1、熱燒結(jié)失活  

?催化劑的結(jié)焦和熱失活正是由于高溫而造成的催化劑結(jié)構(gòu)和性能的改變；  

?機理有蒸發(fā)-冷凝機理、體積擴散機理、晶界擴散機理、金屬原子轉(zhuǎn)移等；  

?類型：1)比表面積減少，微晶之間發(fā)生黏附，微小顆粒黏附聚結(jié)成大顆粒，細(xì)孔直徑增大，孔容減少;2)晶格不完整性減少。高溫條件下產(chǎn)生新的介穩(wěn)表面或使不穩(wěn)定表面消失，并在擴散階段發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，造成活性部位顯著減少。  

2、中毒失活  

?堿金屬、重金屬、堿土金屬等引起中毒；  

3、堵塞失活  

?催化劑表面沉積的堿土金屬化合物主要為CaSO4，其余為CaCO3和Ca3Mg(SiO4)；  

?催化劑孔隙積灰堵塞；  

4、磨損失活  

?造成催化劑磨損的因素有催化劑結(jié)構(gòu)、催化劑厚度、表面材料抗屈服強度、顆粒物濃度、硬度、煙氣流速和磨損時間等；  

?加固后催化劑頂部相對完整，而其內(nèi)部通道已明顯磨損；  

?粉塵沖刷、酸性氣體腐蝕等的共同作用將使催化劑收到損傷。  

汪瀾表示，當(dāng)前SCR催化劑型式主要分為三類。蜂窩式單元，占市場份額60~70%，經(jīng)模具擠壓成型后煅燒而成。單位體積催化劑活性高，適合灰分較低、灰粘性較小的煙氣環(huán)境；平板式單元，占市場份額僅次于蜂窩式。具有較強抗腐蝕性和防堵塞特性，適用于高灰分及灰粘性強的煙氣環(huán)境，但單位體積催化活性低，相對載荷高、體積大、需要使用鋼結(jié)構(gòu)；波紋板式單元，占市場份額低，以玻璃纖維或陶瓷纖維作為骨架、結(jié)構(gòu)堅硬，催化劑孔徑較小、單位體積催化效率較高，適用于灰分較低的環(huán)境，多用于燃?xì)鈾C組。  

SCR在水泥行業(yè)工程應(yīng)用  

在水泥行業(yè)，SCR脫硝技術(shù)原理為：利用還原劑（NH3或尿素）將煙氣中的NOx還原為N2和H2O，脫硝效率通常在90%以上，可將NOx排放濃度控制在50mg/m³以下。  

相比于過程減排和SNCR技術(shù)，SCR脫硝效率更高，可以滿足水泥企業(yè)氮氧化物超低排放要求。因此，汪瀾認(rèn)為，水泥工業(yè)采用SCR脫硝技術(shù)將勢在必行。  

水泥行業(yè)SCR脫硝布置位置主要有三處：一級預(yù)熱器出口處、余熱鍋爐后、除塵裝置后，由于不同位置工況環(huán)境不同，布置方式也存在差異。  

汪瀾在報告中介紹了大量國外SCR應(yīng)用案例，基本降低到200mg/m3濃度以下。  

以LengfurtCementPlant為例，采用低塵SCR，氮氧化物排放量降低到200mg/m3以內(nèi)。  

在國內(nèi)，山東濟寧海螺水泥高溫高塵SCR項目于2019年08月21日投產(chǎn)運行，整個系統(tǒng)阻力不到400Pa，高溫風(fēng)機電耗增加不多。SNCR已經(jīng)停用，進(jìn)口NOx濃度在600～700mg/Nm³,出口濃度在50～60mg/Nm³，氨水（20%濃度）使用量在600kg/h左右，氨逃逸穩(wěn)定在2～3mg/Nm³左右。全面實現(xiàn)了NOx排放≤100mg/Nm³，氨逃逸≤8mg/Nm³的目標(biāo)。  

登封宏昌水泥高溫中塵SCR項2018年底投運，工藝路線選擇SNCR脫硝+預(yù)除塵（40g/Nm³）+SCR脫硝，SCR布置在一級預(yù)熱器出口，NOx排放濃度<50mg/Nm³。  

中低溫SCR技術(shù)研究與工程應(yīng)用  

據(jù)汪瀾介紹，基于國家政策及重大技術(shù)需求，針對水泥窯中低溫SCR，中國建材總院開展技術(shù)研究工作。  

基于環(huán)保要求，中國建材總開發(fā)了一系列適用于不同工況條件的中低溫SCR脫硝催化劑；脫硝率可以達(dá)到90%以上；具有較高的抗硫、抗水、抗堿性；通過添加助劑和端部增強，催化劑具有較高的耐磨性；在多條水泥、玻璃、氧化鋁生產(chǎn)線開展試驗，能夠?qū)⒎磻?yīng)器出口NOx濃度控制在100mg/m³以下。  

在某5000t/d生產(chǎn)線中進(jìn)行中低溫SCR中試結(jié)果顯示，反應(yīng)空速≤3000h-1，不補氨的情況下反應(yīng)器出口NOx濃度可穩(wěn)定在50mg/Nm³以下，達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。另外，適宜的煙氣流速有助于NOx、NH3在催化劑蜂窩體內(nèi)擴散吸附，提高SCR系統(tǒng)的脫硝效率。  

補氨后，脫硝效率進(jìn)一步提高，出口濃度可穩(wěn)定在20mg/Nm³以內(nèi)；隨著補氨量的增加，脫硝效率大幅提升。  

汪瀾表示，中低溫SCR，要綜合考慮距離、覆蓋面積、氣流速度/強度、粉塵影響因素，開發(fā)新型吹灰器，提高吹灰效率，避免催化劑堵塞，降低催化劑磨損。在粉塵濃度60g/m³條件下，可以實現(xiàn)穩(wěn)定運行。  

汪瀾還指出，自中試示范投運開始，截至目前已連續(xù)運行1.5年，通過中試示范，驗證中低溫SCR脫硝催化劑機械化學(xué)性能的長期穩(wěn)定性，同時也驗證了中低溫高塵SCR工藝技術(shù)路線的可行性；。  

2019年8月17日，水泥窯中低溫SCR脫硝催化劑研發(fā)及應(yīng)用”通過由中國建材聯(lián)合會組織的項目鑒定，達(dá)到國際先進(jìn)水平。  

5000t/d水泥生產(chǎn)線中低溫SCR工程建設(shè)方案  

5000t/d水泥生產(chǎn)線中低溫SCR工程建設(shè)方案技術(shù)經(jīng)濟分析依據(jù)表  

5000t/d水泥生產(chǎn)線中低溫SCR工程建設(shè)方案運行主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)  

汪瀾在報告中從環(huán)境效益、社會效益、經(jīng)濟效益三個方面對5000t/d水泥生產(chǎn)線中低溫SCR工程建設(shè)方案進(jìn)行了總結(jié)。  

環(huán)境效益：顯著降低水泥企業(yè)NOx排放量，可實現(xiàn)超低排放標(biāo)準(zhǔn)；1條5000t/d生產(chǎn)線采用SCR技術(shù)可實現(xiàn)NOx減排1620噸/年；水泥行業(yè)推廣率10%可實現(xiàn)NOx減排14萬噸/年。  

社會效益：提升水泥行業(yè)環(huán)保水平；為水泥行業(yè)升級改造和供給側(cè)改革提供技術(shù)支撐；為其他非電行業(yè)的超低排放提供技術(shù)經(jīng)驗。  

經(jīng)濟效益：采用中低溫SCR技術(shù)增加運行成本不大于4元/t-熟料；不影響現(xiàn)有水泥窯爐生產(chǎn)工藝，不影響余熱鍋爐發(fā)電；中低溫SCR技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。  

汪瀾最后指出，水泥行業(yè)NOx深度減排是行業(yè)綠色發(fā)展，轉(zhuǎn)型升級的重要標(biāo)志，也是踐行兩山理論，打贏三年藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要內(nèi)容；減排NOx的同時須關(guān)注NH³、CO排放過量的問題；SCR技術(shù)作為最成熟、應(yīng)用最廣的脫硝技術(shù)將勢在必行。