水泥窯爐SCR煙氣脫硝工藝設計

李媛，呂龍，張小龍，李軍民，杜媛

（陜西大秦環境科技有限公司，西安 710065）

1 引言

近年來，我國水泥行業的氮氧化物（NOx）排放量呈現快速增長趨勢，繼火電和機動車之后成為第三大NOx排放源。隨著火電行業脫硝工作大規模的推廣，國內將推進以水泥行業為主的其他行業NOx排放控制[1]。

2014年3月《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB 4915—2013）開始實施，新建水泥窯及窯尾大氣污染物NOx排放限值提高到標準狀態下400mg/m3，特別排放限值為標準狀態下320mg/m3。對于火電、鋼鐵行業，大氣污染排放要求越來越嚴，行業內已提出“超低”排放的要求并已在各大項目中實施。2018年7月，陜西省地方標準公布的《關中地區重點行業大氣污染物排放限值》征求意見稿中明確指出，2015年之后建成的工業企業生產設施執行NOx排放限值標準狀態下260mg/m3，自2019年10月1日起，所有水泥工業執行NOx排放限值標準狀態下150mg/m3，由此看來，水泥行業的超低排放勢在必行[2]。

2 設計依據及主要技術參數

2.1 設計依據

水泥行業回轉窯爐的主要燃燒對象是煤炭，在煤炭燃燒過程中會產生大量的煙氣，煙氣中含有大量的NOx。該SCR煙氣脫硝系統主要是針對5000t/d熟料水泥生產線水泥窯爐尾氣NOx排放濃度達到環保標準而設計的。

該5000t/d水泥熟料生產線采用新型干法水泥工藝。回轉窯窯尾配套分解爐及五級旋風預熱器。C1級預熱器出口安裝有SP爐。現已在分解爐處配套SNCR氨水脫硝工藝，經脫硝后的煙氣NOx濃度降至標準狀態下400mg/m3（以NO2計，10%基準氧），由于環保要求日趨嚴格，現擬進一步加強對煙氣中NOx的治理，要求采用SCR法脫硝后，窯尾出口NOx濃度小于標準狀態下50mg/m3（以NO2計，10%基準氧），氨逃逸量小于3ppm（2.28mg/m3），SO2/SO3轉化率不大于1%。總體脫硝效率不低于87.5%。

采用新式干法工藝制水泥的過程中，生料在預熱器中得到預熱，熱煙氣在C1預熱器出口的溫度為320℃～350℃，這個溫度區間是采用常規中溫催化劑的合適反應溫度區間，將SCR脫硝反應器布置于此，并在SCR反應器前端加裝旋風除塵器/電收塵器，將此處的高濃度煙塵收集一部分，改善后方SCR反應器的工作環境，同時煙氣溫度能繼續保持在300℃以上，脫硝催化劑依然可以選擇常規的中溫催化劑[3]。

2.2 主要技術參數

水泥窯爐煙氣參數見表1。

表1 水泥窯爐煙氣參數

3 SCR煙氣脫硝技術

選擇性催化還原法（Selective Catalyst Reduction，SCR）脫硝技術是在金屬催化劑作用下，以氨水（NH3·H2O）或尿素[CO(NH2)2]作為還原劑，在預熱器出口的管道上，將溫度為320℃～350℃的煙氣引入SCR反應器，在催化劑前噴入還原劑尿素或氨水，NOx在催化劑作用下被還原為無害的氮氣和水[4]。

SCR脫硝技術的特點是：1）脫硝效率高，可滿足更嚴格的排放標準；2）固定投資較大，設備較復雜，占地面積大；3）催化劑中的V、Mn、Fe等多種金屬會對SO2的氧化起催化作用，SO2/SO3的轉化率較高，而NH3與SO3易形成NH4HSO4，造成堵塞或腐蝕；4）運行成本受催化劑價格影響很大，主要受催化劑壽命的影響[5]。

氨水經儲存、稀釋、計量和噴射系統，輸送到反應器前段煙道內，經噴嘴霧化后被熱煙氣蒸發為氣態氨，經過混合、均流設備進入反應器，在催化劑的參與下，與煙氣內NOx發生化學反應，生成N2和H2O。

（1）在SCR反應器內，NO通過以下反應被還原：

（2）在煙氣中，NO2一般約占總NOx濃度的5%，NO2參與的反應如下：

上面兩個反應表明，還原NO2比還原NO需要更多的氨。

在絕大多數水泥生產線煙氣中，NO2僅占NOx總量的一小部分，因此NO2的影響并不顯著，通常可以忽略。由以上反應，氨與NOx反應將其轉化為N2排放，從而降低煙氣中NOx的排放濃度。

4 水泥窯爐SCR脫硝工藝

4.1 工藝流程

水泥窯爐脫硝工藝流程如下圖所示。SCR脫硝系統所用的還原劑與原系統內已有的SNCR脫硝工藝一致。采用20%質量濃度氨水溶液。

水泥窯爐煙氣SCR脫硝工藝流程框圖

自預熱器C1出口的熱風煙道處開口，將煙氣先引入旋風除塵器，經過初步除塵的煙氣再進入SCR反應器。反應器內根據需要處理的煙氣量及NOx濃度核算，選擇合適層數的催化劑，煙氣與氨氣混合后，在催化劑的作用下，氨氣將高溫煙氣中的NOx還原成N2與H2O，達到脫除NOx的目的。處理后的煙氣由高溫風機送至后端增濕塔或余熱鍋爐，最終經過窯尾收塵器后由煙囪排放；旋風除塵器收集的生料及反應器下部的灰料送回生料輸送系統。這樣布置的工藝流程，充分改善了后續脫硝反應的環境。

（1）除塵器降低了SCR反應器處的煙塵含量，蜂窩催化劑的孔數可有所提高，在催化劑立方數及層數不變的情況下，可有效降低催化劑及反應器的整體高度。整個反應器的壓力損失降低，可減少后端風機的出力，降低能耗。

（2）由于減少了煙氣中Ca、Mg、Al及重金屬粉塵的含量，降低了催化劑在堿金屬下的催化劑中毒風險，間接延長了催化劑的化學使用壽命。粉塵量降低，在固定的風速下，含塵煙風對催化劑的表面沖刷強度下降，也間接延長了催化劑的物理壽命。

4.2 系統組成

4.2.1 還原劑的制備與噴射系統

大量水泥生產線基本已完成SNCR脫硝的改造工程，且水泥廠脫硝采用的還原劑多為氨水溶液。對于新建水泥生產線脫硝系統的項目，需要新建氨水脫硝系統，內置氨水儲存系統、稀釋水系統、計量系統、分配系統及噴射系統等。

氨水在稀釋到5%～10%濃度后，通過噴射泵加壓，經管線到達噴槍前噴嘴處，由布置在反應器前的預熱器風管上的噴槍霧化并噴射進風管內。氨水在340℃左右的高溫煙氣內迅速蒸發成為氣態，并與煙氣一同混合均勻，在氣流均布后進入催化劑模塊內，在催化劑的參與下完成NOx向N2轉化的還原反應。

氨水噴射量可根據煙氣中NOx含量及脫硝效率的反饋，自動調節投入到噴嘴進行蒸發的氨水溶液耗量。

4.2.2 催化劑

鑒于水泥SCR脫硝行業的特殊性，催化劑在300℃～350℃下可選擇常用的中溫催化劑，低于這個溫度會增加NH3的逃逸率，導致脫硝效率下降，甚至出現NH3和CO污染，而且催化劑會促使煙氣中的SO2轉換成SO3，NH3會與SO3反應生成硫酸氫銨而堵塞催化劑的反應通道；高于這個溫度，特別是＞500℃時會造成V2O5燒結和揮發失效，通常出現于采用釩鈦基系列的蜂窩催化劑。水泥行業窯尾C1預熱器出口基本為水泥生料，其中Ca絕大多數以CaCO3的形式存在，CaO含量極少，當CaO含量小于5%時，對于催化劑的失活影響不大，但粉塵量高，硬度高，粉塵細膩，部分催化劑需要在活性成分與抗中毒成分配方上做調整[6]。

水泥窯煙塵濃度大，硬度高，易對催化劑造成沖擊磨損。為了保證催化劑的抗磨損能力，可對催化劑進行前端硬化處理和表面特殊涂層處理來提高耐磨和防堵灰措施，同時，為了SCR運行的經濟性，在催化劑選型時宜考慮壁厚不小于0.8mm的催化劑，以便將來采用再生技術，延長催化劑的使用壽命[7]。

4.2.3 吹灰系統

鑒于水泥行業窯尾生料灰濃度高、硬度高、灰分細膩的特點。催化劑的表面應常設吹灰系統。有效的吹灰系統是決定水泥催化還原脫硝的關鍵之一。目前主要的清灰方法包括蒸汽吹灰、聲波吹灰和壓縮空氣吹灰三種。

根據水泥窯煙氣粉塵的特性及各吹灰方式的特點，結合國外水泥窯煙氣脫硝成熟的工程應用案例，水泥窯SCR催化劑宜采用壓縮空氣/蒸汽吹灰方式，同時可聯合聲波吹灰方式進行吹灰，以保持催化劑清潔，避免因灰塵堆積減弱催化劑的活性。該項目在每層催化劑層的上方，安裝壓縮空氣噴吹噴嘴，噴嘴設計成能在催化劑層整個頂面上反復啟動，并由空壓機提供＞140℃的熱風，作為壓縮空氣吹掃氣源。

4.2.4 反應器

該項目中的反應器設計成煙氣豎直向下流動，入口設氣流均布裝置及導流板，對于反應器內部易于磨損的部位設計必要的防磨措施。反應器內部各類加強板、支架設計成不易積灰的形式，同時考慮熱膨脹的補償措施。在反應器入口、各層催化劑出口、反應器出口等位置設置足夠數量的煙氣取樣孔，每層催化劑層出口布置足夠數量的煙氣取樣格柵鋼管。

4.2.5 流場優化系統

脫硝系統進行物理流場模型優化試驗。試驗范圍涵蓋從空氣預熱器C1出口到SCR反應器出口的全部煙氣系統，包含煙氣系統內的導流板、反應器入口煙道、出口煙道、反應器等。

反應器入口煙道的結構應設計合理，并在SCR反應器入口設置導流、均流裝置，以保證煙氣在進入第一層催化劑時滿足下列條件：1）速度最大偏差：小于平均值的±15%；2）溫度最大偏差：小于平均值的±10℃；3）煙氣入射催化劑最大角度（與垂直方向的夾角）<±10°；4）NH3/NOx摩爾比絕對偏差<5%。

在SCR反應器入口煙道內設置導流裝置，以保證煙氣在進入空預器入口截面時滿足下列條件：1）煙氣速度最大偏差：小于平均值的±10%；2）煙氣入射角度最大偏差（與垂直方向的夾角）<±10°。

4.2.6 風機系統

SCR脫硝反應器的阻力在1000～1500Pa，對于高塵布置的方式，還需要增加電除塵器800～1000Pa的阻力。對于后端的高溫風機需要進行改造，增加其壓頭，對于僅靠改造風機仍無法滿足壓頭的情況，需要對高溫風機重新選型，整體換新。

5 運行參數和經濟性

5.1 運行參數

年運行消耗及成本分析見表2，脫硝裝置運行參數及維護成本經濟分析見表3。

5.2 經濟分析

維護成本經濟分析見表4。

表2 年運行消耗及成本分析表

表3 脫硝裝置運行參數和維護成本經濟分析表

表4 維護成本經濟分析表

6 結論

（1）以一條5000t/d水泥熟料生產線為設計基礎，針對水泥窯爐煙氣特性，按“超低”排放的要求，設計水泥窯爐SCR煙氣脫硝系統，基本設計參數為：煙氣量85萬m3/h，初始NOx排放濃度400mg/Nm3，脫硝后排放濃度≤50mg/Nm3，氨逃逸量小于3ppm（2.28mg/Nm3），還原劑（20%氨水）消耗量260kg/h，脫硝效率＞87.5%。

（2）水泥窯爐SCR煙氣脫硝系統由六大模塊組成，包括還原劑制備與噴射系統、催化劑系統、吹灰系統、反應器系統、流場優化系統和風機系統。本文所設計的水泥窯爐SCR脫硝工藝，將除塵工序置于脫硝工藝之前，由此高溫除塵效率可達80%以上，經過高溫除塵后進入反應器的煙氣含塵量大幅度下降，可有效防止催化劑堵塞和磨損，延長催化劑壽命，提高脫硝工藝的整體效率，并降低了氨耗量，減少了運行費用。合理設置除塵和脫硝工藝，可降低水泥脫硝工藝的整套投資成本。