SCR技术在水泥行业的应用探讨

水泥 2014-01-02

选择性催化还原反应（SCR）是通过向含有NOx的合适温度的烟气中喷入氨基还原剂，在催化剂的作用下，将其中的NOx还原成N2和H2O，以达到减排NOx的目的。在单独依靠SNCR已不能稳定、可靠地实现减排目标时，降低NOx浓度。可同SNCR及其它技术联合使用。

　　选择性催化还原反应（SCR）是通过向含有NOx的合适温度的烟气中喷入氨基还原剂，在催化剂的作用下，将其中的NOx还原成N₂和H₂O，以达到减排NOx的目的。在单独依靠SNCR已不能稳定、可靠地实现减排目标时，降低NOx浓度。可同SNCR及其它技术联合使用。SCR脱硝技术的原理如下：

　　4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

　　4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

　　NO2+NO+2NH3→2N2+3H2O

　　SCR技术在火电锅炉上得到了广泛应用，并已经在玻璃窑炉等其它窑炉上得到使用，在德国、意大利等国家水泥窑也有应用案例。

　　现在用于SCR催化剂的有效温度为280~400℃，最近国内正加大对水泥窑低温催化剂的研发，根据近期研发成果表明：低温催化剂效果较好的有锰铈钛体系和传统的钒钨钛体系；工作温度在150℃~270℃间具有较好的脱硝效率（＞90%）；碱性氧化物对催化剂性能的影响K₂O＞Na₂O＞CaO；运行温度在120℃及以下的催化剂仍处于研发阶段。

　　国内可用于水泥窑SCR脱硝的中温催化剂（280~400℃）和低温催化剂（150℃~270℃）进入中试阶段，根据掌握的情况来看，中温催化剂在水泥行业的试验及应用将略早于低温催化剂。

　　SCR的工艺方案

　　根据现有掌握的资料来看，水泥窑SCR工艺方案主要有中温高尘布置、低温高尘布置和低温低尘布置等三种形式。

　　1.中温高尘布置方案

　　该方案布置在窑尾预热器C1出口后余热锅炉（增湿塔）前，利用窑尾预热器C1出口温度满足中温催化剂300℃的温度条件，实现SCR脱硝。可根据工艺情况，选择采用在脱硝反应器进口前设置预除尘电除尘器，去除大颗粒粉尘，将粉尘浓度控制在20g/Nm³以下（未上余热锅炉生产线）；或仅设置简易除尘后进入反应器。可采用立式或卧式（管道式）反应器（见图）。

　　面临的问题与解决措施

　　1）高粉尘浓度对系统的影响

　　水泥炉窑尾部的粉尘含量高达80～100g/Nm³，易造成催化剂孔隙堵塞，催化剂磨损加剧，致使系统压降增加，给引风机的正常运行造成严重威胁，从而影响水泥炉窑生产线长期稳定运行。

　　解决措施：采用结构预除尘设计，适当降低粉尘浓度，特别是大颗粒粉尘；根据生产线粉尘实际情况，合理选择催化剂节距及孔形状；采用催化剂前端硬化；采用专用水泥SCR脱硝吹灰系统。

　　2）催化剂中毒问题

　　水泥炉窑烟气中钠、钾等水溶性碱金属化合物易与催化剂中的V2O5反应导致催化剂中毒，从而降低催化剂的活性。CaO含量较高，附着于催化剂表面及内层空隙，致使催化剂性能下降。

　　解决措施：进行催化剂适应性试验，并做配方调整；强化吹灰系统。

　　3）施工改造难度大

　　面临空间不足和高空改造问题。对现有高温风机的风压富裕量要求高。

　　解决措施：合理选择立式或卧式反应器；采用SNCR+SCR联合工艺降低催化剂用量，降低压损。

　　2.低温高尘布置方案

　　该方案布置在窑尾余热锅炉同高温风机间或是增湿塔间出口后，利用余热锅炉出口温度满足低温催化剂160℃的温度条件，实现SCR脱硝。根据实际空间，可选择设置预除尘电除尘器。考虑施工改造难度，可优先选择卧式反应器的布置形式。改造时，可采用先建造后烟道连接的方式，减少对水泥生产线的影响时间。

　　面临的问题与解决措施：

　　1）高浓度粉尘，对系统及催化剂的影响。

　　同中温高尘布置方案中内容。

　　2）余热锅炉、增湿塔运行的影响

　　反应器位于余热锅炉或增湿塔后端，受其运行情况影响。当锅炉换热管破损及增湿塔运行不正常时，由于烟气含水量的升高，增加催化剂运行水中毒风险。

　　解决措施：稳定前端设备运行；采取应急切换保护措施。

　　3.低温低尘布置方案

　　该方案布置在窑尾除尘同尾排风机间，通过调整余热锅炉出口温度或是取部分预热器出口烟气同余热锅炉出口烟气混合满足低温催化剂160℃的温度条件，实现SCR脱硝。鉴于除尘器后端空间相对宽松，综合考虑可选择立式反应器。

　　面临的问题与解决措施

　　1）反应器进口烟气温度的控制

　　反应器进口温度稳定在160℃以上，及温度分布的均匀性。

　　2）反应器结构设计

　　反应器内部温度的分布需更均匀，以保证反应效率，减少反应器内局部冷凝水对催化剂的影响。

　　解决措施：采用CFD流场模拟设计和实体模拟验证，采用前置多点温度检测实时反馈温度分布。

　　水泥窑NOx减排最佳工艺路线

　　随着环保要求的提高，NOx减排上的工艺思路越发清晰。采用燃烧工艺优化、分级燃烧等技术初步降低NOx浓度，采用SNCR技术进一步降低NOx满足阶段环保要求，再根据环保要求采用SCR技术满足最终最严格的环保要求。从成本控制考虑，稳定低氮燃烧应用效果，降低后续还原剂的投入成本；当使用SNCR+SCR技术方案时，通过理论计算和实际调整，合理分配还原剂（氨/氨水）使用量，达到最低运行成本的目的。

　　结论

　　鉴于近期国内严峻的环保形势，水泥企业均选择先改造新上SNCR装置，以快速达到环保要求的目的。在后期正常运行中，由于脱硝运行成本的压力，各企业也必将加大低氮燃烧的应用，加强生产精细管理和操作。

　　环保要求持续严格，必然带来水泥行业SCR脱硝技术的应用。国外已有至少6条水泥生产线安装SCR装置，主要集中在德国和意大利。国内对水泥SCR脱硝催化剂的研发与试验，必然为水泥行业NOx减排提供新的选择。

编辑：曾家明

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