用于水泥行業的脫硝除塵一體化技術與中試研究

唐飛翔 廖達琛 鄭俊杰 葛春亮 沈海濤 胡達清

浙江天地環保科技有限公司

0 引言

水泥工業氮氧化物排放約占全國氮氧化物排放量的8%～10%，是我國繼火電廠、機動車之后的第三大氮氧化物排放源。“十三五”期間，國家對環保要求進一步趨嚴，對水泥工業的大氣污染防治尤其是NOx總量減排提出了更高要求，江蘇、河南、河北等部分地區已將NOX排放限值降為100mg/Nm3。

目前，水泥窯爐普遍采用的氮氧化物脫除方法為低氮燃燒、SNCR脫硝等技術[1，2]，脫硝效率一般低于60%，無法滿足水泥行業更為嚴苛的氮氧化物排放指標。SCR技術具有較高的脫除效率，使排放的NOx濃度降到100mg/Nm3以下，是水泥行業脫硝的發展趨勢。與電力行業相比，由于水泥工業廢氣的粉塵濃度高、堿金屬含量較多、易使催化劑中毒和堵塞，國內外成熟的SCR脫硝工程實例較少。

浙江天地環保科技有限公司通過國內外的調研考察及小型試驗，逐步找到了一種適用于水泥工業的煙氣深度治理的陶瓷濾筒，并在此基礎上開發了高效SCR脫硝除塵一體化技術，目前在浙江長廣水泥廠搭建了水泥脫硝除塵中試平臺已完成了初步的試驗研究，為后續的工程化應用奠定了基礎。

1 脫硝除塵一體化技術

1.1 脫硝除塵一體化反應器

在脫硝除塵一體化技術中，核心部件是一體化反應器，該反應器與布袋除塵器類似，由入口煙道、灰斗、中箱體、高溫陶瓷催化劑濾筒、花板、上箱體、反吹掃系統、出口煙道等組成。一體化反應器垂直布置，煙氣豎直向上流動。煙氣由底部入口煙道進入，煙氣中的煙塵在中箱體內被高溫陶瓷催化劑濾筒外表面攔截，氣體穿過濾筒層時在催化劑的作用下，煙氣中的NOx與NH3進行脫硝反應，反應后的煙氣經由上箱體、出口煙道離開。當濾筒外表面積灰達到一定程度時，反吹掃管道下部的噴嘴對高溫陶瓷催化劑濾筒噴吹壓縮氣體，通過高壓氣體吹落濾筒外表面積灰至灰斗中，最后經輸灰系統送到指定位置。從而既避免了催化劑與煙塵的直接接觸，極大地降低了催化劑中毒及堵塞現象，同時又起到脫除NOx的作用。中試平臺設計的一體化反應器見圖1。

圖1 脫硝除塵一體化反應器

1.2 中試平臺工藝路線

在水泥工業中，SCR反應器可以有三個不同的安裝位置，即高溫/高塵、高溫/中塵、低溫/低塵。根據不同的安裝位置，目前國內已開展了相關的試驗研究[3-5]，針對催化劑的最佳反應溫度（280℃～360℃），高效SCR脫硝除塵一體化技術選擇高溫高塵布置。本中試平臺從水泥窯尾一級空氣預熱器出口煙道引出旁路煙氣用于試驗，進入中試平臺一體化反應器脫硝除塵處理后的煙氣經風機加壓后返回余熱鍋爐出口煙道。此外，脫硝除塵一體化反應器入口煙道設有增加NOx量的氣瓶，用于提高煙氣中NOX濃度。中試平臺設計的工藝路線見圖2。

圖2 中試平臺工藝路線

1.3 高溫陶瓷催化劑濾筒

陶瓷催化劑濾筒由硅酸鋁纖維、無機物以及有機物的混合粘結劑組成，脫硝催化劑嵌在內層。陶瓷纖維組成剛性構件，反應器內部不需要支撐架構。濾筒的微觀結構及運行一段時間后的實物見圖3和圖4。

圖3 陶瓷催化劑濾筒的微觀結構

圖4 陶瓷催化劑濾筒

1.4 中試平臺設計參數

中試平臺通過在日產2 500t的干法水泥熟料生產線上建立一套具有工程參照意義的試驗裝置，驗證高效SCR脫硝除塵一體化技術的可行性，設計參數見表1。

2 試驗結果及分析

為了準確獲取試驗數據，中試平臺入口處設置了在線測量的溫度計、NOx濃度測試儀、壓力變送器，出口處設置了在線測量的流量計、溫度計、NOx濃度測試儀、壓力變送器、煙塵儀等，同時每隔30秒保存一組數據。從2019年4月投運至今，連續運行時間超過兩個月，入口煙氣量基本維持在6 000Nm3/h左右，未出現明顯催化劑堵塞及中毒現象，主要性能指標達到了設計的要求。

2.1 出入口NOX濃度變化曲線

水泥廠窯尾煙氣經過SNCR脫硝反應后的NOX濃度基本維持在290mg/Nm3左右，經過SCR脫硝除塵一體化反應器后，在高溫陶瓷催化劑濾筒的催化作用下，煙氣中的NOX與NH3進行了脫硝反應，中試平臺出口NOX濃度穩定維持在10mg/Nm3左右，脫硝效率高達85%～96%，運行40h的關系曲線見圖5。

圖5 出入口NOX濃度變化曲線

表1 中試平臺的設計參數

2.2 出口塵含量變化曲線

中試平臺入口處未安裝在線測試的煙塵儀，試驗前經手動離線測試，含塵量平均為40g/Nm3，經過SCR脫硝除塵一體化反應器后，煙氣中的煙塵被濾筒外表面攔截，出口煙氣中的煙塵濃度小于5mg/Nm3，除塵效率高達99．9%以上，運行40h的出口煙塵含量變化曲線見圖6。

圖6 出口煙塵含量變化曲線

2.3 入口NOx高濃度下的變化曲線

為了測試中試平臺入口NOX高濃度下的脫除效率，通過采用NO氣瓶往中試平臺入口噴入NO氣體，使其濃度維持在550mg/Nm3左右，出口濃度低于50mg/Nm3，脫硝效率高達90%以上，因考慮NO氣體成本等因素，試驗過程持續了半個小時左右，之后入口NOX濃度逐漸降低至原始狀態，連續運行40min的關系曲線見圖7。

圖7 出入口NOX濃度變化曲線

3 結論

（1）通過中試平臺長時間的穩定運行，表明了高效SCR脫硝除塵一體化技術的可行性，為后續的工程化應用奠定了基礎。

（2）脫硝除塵一體化反應器入口NOx濃度高達500mg/Nm3以上時，出口的NOx平均濃度小于50mg/Nm3，該裝置具有較高的NOx脫除效率，達到了火電行業超低排放的要求。