水泥窯尾煙氣SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)探討

近年來(lái)，為降低氮氧化物排放，大部分水泥企業(yè)已進(jìn)行SNCR脫硝技術(shù)改造；還有企業(yè)同時(shí)進(jìn)行了低氮燃燒改造或者進(jìn)行了燃料分級(jí)燃燒和空氣分級(jí)燃燒改造。然而這些脫硝技術(shù)的脫硝效率較低，一般為50%以下，氮氧化物排放濃度基本都在100mg/Nｍ³以上；同時(shí)氨逃逸量大，腐蝕生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備、產(chǎn)生安全隱患、影響回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)操作，增加生產(chǎn)能耗（包括煤耗、電耗），導(dǎo)致運(yùn)行成本提高[1-2]。

隨著國(guó)家及地方政府環(huán)保政策的趨嚴(yán)，多省市連續(xù)出臺(tái)水泥工業(yè)大氣污染物特別排放限值實(shí)施計(jì)劃，要求水泥行業(yè)全部完成超低排放，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度都要分別不高于10mg/Nｍ³、50mg/Nｍ³、100mg/Nｍ³，有些省份計(jì)劃參照燃煤火力發(fā)電廠(chǎng)的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，控制氮氧化物50mg/Nｍ³以下，以及對(duì)氨逃逸進(jìn)行限制。為滿(mǎn)足氮氧化物和氨逃逸的超低排放改造要求，借鑒燃煤火力發(fā)電廠(chǎng)成功成熟的SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合水泥窯尾煙氣性質(zhì)將是今后解決水泥窯尾煙氣氮氧化物超低排放的不二選擇[3-5]。

1 SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

1.1 水泥窯尾煙氣工藝流程現(xiàn)狀

如圖1所示，普通水泥窯尾C1出口后煙氣通常在300℃以上，粉塵濃度達(dá)80~120g/Nｍ³，其煙氣工藝流程中依次設(shè)置有增濕塔、與增濕塔并聯(lián)設(shè)置的余熱鍋爐、高溫風(fēng)機(jī)、生料磨系統(tǒng)、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)以及煙囪；其中生料磨系統(tǒng)由依次連接的生料磨、物料分離器以及物料風(fēng)機(jī)組成，且系統(tǒng)設(shè)有旁路煙道[6]。

圖1普通水泥窯尾煙氣工藝流程原理圖

如圖2所示，特種水泥尾C1出口后煙氣通常在300℃以下, 粉塵濃度亦為80~120g/Nｍ³，其煙氣工藝流程中依次設(shè)置有高溫風(fēng)機(jī)、增濕塔、與增濕塔并聯(lián)設(shè)置的生料磨系統(tǒng)、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)以及煙囪；其中生料磨系統(tǒng)也由依次連接的生料磨、物料分離器以及物料風(fēng)機(jī)組成[6]。

圖2特種水泥窯尾煙氣工藝流程原理圖

對(duì)水泥行業(yè)窯尾煙氣進(jìn)行SCR脫硝技術(shù)改造時(shí)，具體有兩種的工藝路線(xiàn)可供選擇，即傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)和“預(yù)除塵+SCR”脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)，為簡(jiǎn)述起見(jiàn)，下文以特種水泥窯尾煙氣工藝流程為基礎(chǔ)進(jìn)行論述。

1.2 傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

進(jìn)行水泥行業(yè)窯尾煙氣SCR脫硝技術(shù)改造時(shí)，其中一種可供選擇的工藝路線(xiàn)是直接借鑒燃煤電廠(chǎng)的氮氧化物治理方式，將SCR脫硝反應(yīng)器布置在窯尾C1出口的高溫高塵區(qū)，即傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)，如圖3所示。

傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)SCR反應(yīng)器，阻力低。但其缺點(diǎn)也是比較明顯：催化劑堵塞、磨損、中毒，氨逃逸等問(wèn)題，吹灰是難點(diǎn)。

圖3傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

1.3 “預(yù)除塵+SCR”脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

水泥行業(yè)窯尾煙氣SCR脫硝技術(shù)的另一種可供選擇的工藝路線(xiàn)是“預(yù)除塵+SCR”脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)。由于水泥行業(yè)窯尾C1出口煙氣的粉塵濃度可達(dá)80-120 g/Nｍ³，以及粉塵高溫時(shí)粘度較大的性質(zhì)和粉塵粒徑細(xì)小且分布較為集中：10%的粒徑小于0.826μm，粉塵的粒徑中位值為3.237μm，粉塵中90%的粒徑小于11.696μm；PM2.5占比為40.59%，PM10占比為86.58%；另窯尾煙氣粉塵性質(zhì)與燃煤電廠(chǎng)煙氣粉塵性質(zhì)完全不同，因此非常有必要對(duì)水泥窯尾高溫?zé)煔庀冗M(jìn)行預(yù)除塵再進(jìn)入SCR反應(yīng)器，即形成“預(yù)除塵+SCR”脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)，為有效控制粉塵濃度，預(yù)除塵可采用高溫電除塵、高溫金屬濾袋除塵、高溫電袋除塵等。

1.3.1電除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

如圖4所示，在SCR反應(yīng)器的前端設(shè)置高溫電除塵，窯尾C1出口后的高溫高塵煙氣先通過(guò)高溫電除塵進(jìn)行預(yù)除塵，但由于高溫?zé)煔獗入娮璐螅ㄈ鐖D5所示），高溫電除塵效率較低約50%（如圖6所示），因此電除塵后的高溫?zé)煔夥蹓m含量仍然很高，濃度與燃煤電廠(chǎng)設(shè)置SCR工藝的在同一個(gè)等級(jí)，甚至更高，因而與傳統(tǒng)SCR脫硝的問(wèn)題一樣，無(wú)法解決傳統(tǒng)SCR脫硝工藝路線(xiàn)原有問(wèn)題。

圖4電除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

圖5-溫度對(duì)比電阻的影響

圖6-比電阻對(duì)電除塵效率的影響

1.3.2袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

如圖7所示，袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)為SCR催化劑布置于高溫除塵器頂部，無(wú)磨損堵塞，催化劑保證設(shè)計(jì)壽命、催化劑無(wú)堿金屬中毒風(fēng)險(xiǎn)；脫硝無(wú)氨逃逸、無(wú)噴氨過(guò)量問(wèn)題，保證脫硝效率，無(wú)氮氧化物超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；正常設(shè)計(jì)壽命條件下無(wú)運(yùn)維費(fèi)用、無(wú)吹灰器投資及其運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、減少了阻力后的風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)成本等。但其缺點(diǎn)在于濾袋直接面對(duì)高粉塵濃度的沖刷風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)，阻力和清灰效果無(wú)法預(yù)測(cè)。

圖7高溫金屬濾袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

1.3.3電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

高溫電袋塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)，水泥窯尾C1出口高溫高塵煙氣先經(jīng)煙道設(shè)計(jì)的機(jī)械沉降預(yù)除塵、高溫電除塵、高溫金屬濾袋除塵等三級(jí)的逐級(jí)預(yù)除塵，確保除塵安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)對(duì)濾袋的沖刷，保證進(jìn)入脫硝催化劑的煙氣是干凈的。

進(jìn)口喇叭采用上進(jìn)風(fēng)型式，煙氣通過(guò)預(yù)熱器C01下降管接入到除塵器進(jìn)口，粗顆粒粉塵先經(jīng)過(guò)進(jìn)口喇叭的氣流封板進(jìn)行一部分機(jī)械除塵，根據(jù)以往的工程案例反復(fù)推算，該部分機(jī)械除塵可以達(dá)到20~30%的效率。粗顆粒經(jīng)過(guò)氣流均布板通過(guò)撞擊等失去動(dòng)能，順延進(jìn)口喇叭底部壁板掉落在灰斗中，其余細(xì)顆?；蛘咻^細(xì)和偏細(xì)的顆粒粉塵隨煙氣進(jìn)入電場(chǎng)。由于電除塵在高溫時(shí)荷電能力偏弱、電場(chǎng)效率較低，但也能保證50~70%的效率范圍，不同溫度下煙氣粉塵的比電阻關(guān)系以及在靜電除塵器中的除塵效率的影響[7]。因此確保進(jìn)入袋區(qū)的粉塵可以在30g以下，袋區(qū)的粉塵濃度得到有效控制，減少袋區(qū)粉塵對(duì)高溫金屬濾料的沖刷，延長(zhǎng)濾袋的使用壽命。

圖8高溫電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)

另外值得的探討的是，經(jīng)過(guò)電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)方案改造后，水泥窯尾煙氣系統(tǒng)，后續(xù)只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造升級(jí)，如圖9所示，把生料磨系統(tǒng)的煙氣進(jìn)出接口改到電袋塵硝一體化設(shè)備的前端，把原布袋除塵器和增濕塔取消，增加煙氣余熱回收利用的節(jié)能系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的升級(jí)改造，保證環(huán)保的同時(shí)為企業(yè)降低生產(chǎn)成本。

圖9高溫電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)對(duì)窯尾煙氣系統(tǒng)的完善和改造升級(jí)

1.4 SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)比較

表1-脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)比較

2電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)工程案例

河南某特種水泥廠(chǎng)1200t/d熟料水泥生產(chǎn)線(xiàn)，標(biāo)況煙氣量為150000Nm³/h，窯尾C1出口煙氣粉塵含量100g/ Nm³，煙氣溫度320℃，煙氣從窯尾預(yù)熱器出來(lái)后，經(jīng)高溫風(fēng)機(jī)后分成兩路煙氣走向，一路去增濕塔，另一路去生料磨、物料分離器、物料風(fēng)機(jī)后與增濕塔出口管路相連接匯合，煙氣再進(jìn)入到布袋除塵器除塵后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送入到煙囪而排放到大氣中。

本工程項(xiàng)目技術(shù)方案采用電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線(xiàn)，即在窯尾預(yù)熱器C1出口與高溫風(fēng)機(jī)之間接入電袋塵硝一體化設(shè)備，改造后端煙氣系統(tǒng)工藝流程如圖8所示，從投運(yùn)半年以來(lái)，氮氧化物濃度排放穩(wěn)定性、氨逃逸極少、以及設(shè)備進(jìn)出口差壓和袋區(qū)壓差也很穩(wěn)定，如圖9-12所示。

圖10-氮氧化物排放

圖11-氨逃逸

圖12-系統(tǒng)和袋區(qū)除塵差壓

如圖9-12所示，通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)整理分析可知，水泥窯尾煙氣經(jīng)電袋塵硝一體化技術(shù)改造后，電袋塵硝一體化系統(tǒng)的阻力值穩(wěn)定在1300Pa左右，比預(yù)期設(shè)計(jì)值1800Pa低；煙氣的氮氧化物排放濃度穩(wěn)定在30mg/Nm³以下，氨逃逸量穩(wěn)定在2.5mg/Nm³以下，達(dá)到極好的改造效果。

3結(jié)論

（1）水泥窯尾煙氣進(jìn)行脫硝超低排放技術(shù)改造時(shí)，宜選擇高溫預(yù)除塵結(jié)合SCR脫硝的工藝技術(shù)路線(xiàn)，且首選高溫電袋除塵+SCR脫硝一體化技術(shù)，此技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)脫硝超低排放標(biāo)準(zhǔn)50mg/Nm³以下，氨逃逸可控制在2.5mg/Nm³以?xún)?nèi)。

（2）采用高溫電袋除塵+SCR脫硝一體化技術(shù)，SCR脫硝催化劑使用壽命長(zhǎng)，無(wú)運(yùn)維費(fèi)用，系統(tǒng)阻力相對(duì)較低，投資運(yùn)維的綜合成本低。

（3）水泥窯尾煙氣采用高溫電袋除塵+SCR脫硝一體化技術(shù)改造后，有利于后續(xù)煙氣系統(tǒng)流程的進(jìn)一步優(yōu)化完善，即改造生料磨煙氣系統(tǒng)的煙氣進(jìn)出接口至一體化設(shè)備煙氣進(jìn)口前端，取消原有布袋除塵器等高溫風(fēng)機(jī)后端的原有設(shè)備，同時(shí)增設(shè)節(jié)能設(shè)備，達(dá)到環(huán)保與節(jié)能的有機(jī)統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬現(xiàn)奇，高旭東等. 國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)氮氧化物治理及氨排放淺議[J]. 中國(guó)水泥, 2019, 05:78-80.

[2] 郝曉波. 水泥行業(yè)氮氧化物減排探討[J]. 中國(guó)水泥, 2012, 04:53-56.

[3] 王鵬. 水泥行業(yè)氮氧化物減排現(xiàn)狀分析[J]. 能源與節(jié)能, 2014, 01(100):89-113.

[4] 陳躍勛，張訓(xùn). 對(duì)水泥脫硝技術(shù)的探討[J]. 廣東建材, 2016, 08:33-35.

[5] 李海波，雷華等. 水泥窯煙氣SCR脫硝技術(shù)應(yīng)用[J]. 中國(guó)水泥, 2019, 02:46-49.

[6] 王金旺, 李春祥，劉雷陳. 一種水泥工業(yè)煙氣除塵脫硝一體化治理系統(tǒng)[P]. 中國(guó)：ZL 201921422452.3, 2019.

[7] 全國(guó)勘察設(shè)計(jì)注冊(cè)工程師環(huán)保專(zhuān)業(yè)管理委員會(huì)，中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì). 注冊(cè)環(huán)保工程師專(zhuān)業(yè)考試復(fù)習(xí)教材,大氣污染防治工程技術(shù)與實(shí)踐（上）[M]. 第四版.北京：中國(guó)環(huán)境出版社，2017:34-77.

作者簡(jiǎn)介：

王金旺（1974-11），男，福建永定人，碩士研究生，主要從事節(jié)能環(huán)保技術(shù)研發(fā)工作。

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